In een nieuwe studie, onderzoekers demonstreren creatieve tactieken om mazen in de wet te verwijderen die de tests van de kwantummechanica lang hebben verstoord. Met hun innovatieve methode de onderzoekers waren in staat om kwantuminteracties aan te tonen tussen twee deeltjes die meer dan 180 meter (590 voet) van elkaar verwijderd waren, terwijl ze de mogelijkheid uitsloten dat gedeelde gebeurtenissen in de afgelopen 11 jaar hun interactie beïnvloedden.

Een paper waarin deze resultaten worden uitgelegd, zal worden gepresenteerd op de conferentie Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), gehouden van 15-19 september in Washington, gelijkstroom, VS.

Kwantumfenomenen worden onderzocht voor toepassingen in de informatica, encryptie, voelen en meer, maar onderzoekers begrijpen de fysica erachter nog niet volledig. Het nieuwe werk zou kunnen helpen om kwantumtoepassingen vooruit te helpen door technieken voor het onderzoeken van kwantummechanica te verbeteren.

Een test voor kwantumtheorieën

Natuurkundigen worstelen al lang met verschillende ideeën over de krachten die onze wereld regeren. Terwijl theorieën over kwantummechanica geleidelijk de klassieke mechanica hebben ingehaald, veel aspecten van de kwantummechanica blijven mysterieus. In de jaren 1960, natuurkundige John Bell stelde een manier voor om de kwantummechanica te testen die bekend staat als de ongelijkheid van Bell.

Het idee is dat twee partijen, bijgenaamd Alice en Bob, metingen doen aan deeltjes die ver uit elkaar liggen maar via kwantumverstrengeling met elkaar verbonden zijn.

Als de wereld inderdaad uitsluitend door de kwantummechanica zou worden geregeerd, deze afgelegen deeltjes zouden worden beheerst door een niet-lokale correlatie door kwantuminteracties, zodanig dat het meten van de toestand van het ene deeltje de toestand van het andere beïnvloedt. Echter, sommige alternatieve theorieën suggereren dat de deeltjes alleen elkaar lijken te beïnvloeden, maar dat ze in werkelijkheid verbonden zijn door andere verborgen variabelen volgens klassieke, in plaats van kwantum, natuurkunde.

Onderzoekers hebben veel experimenten uitgevoerd om de ongelijkheid van Bell te testen. Echter, experimenten kunnen niet altijd perfect zijn, en er zijn bekende mazen in de wet die misleidende resultaten kunnen veroorzaken. Hoewel de meeste experimenten de conclusie sterk hebben ondersteund dat er kwantuminteracties bestaan, deze mazen laten nog steeds een kleine mogelijkheid open dat onderzoekers onbedoeld verborgen variabelen kunnen beïnvloeden, waardoor er ruimte is voor twijfel.

mazen dichten

In de nieuwe studie Li en zijn collega's demonstreren manieren om die mazen te dichten en voegen toe aan het bewijs dat de kwantummechanica de interacties tussen de twee deeltjes regelt.

"We realiseerden een maasvrije Bell-test met de meetinstellingen bepaald door kosmische fotonen op afstand. Zo hebben we de volledigheid van de kwantummechanica geverifieerd met een hoge betrouwbaarheidswaarschijnlijkheid, " zei Ming-Han Li van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, wie is de hoofdauteur van het papier.

Hun experimentele opstelling omvat drie hoofdcomponenten:een apparaat dat periodiek paren verstrengelde fotonen uitzendt en twee stations die de fotonen meten. Deze stations zijn Alice en Bob, in het spraakgebruik van Bell's ongelijkheid. Het eerste meetstation bevindt zich op 93 meter (305 voet) van de fotonpaarbron en het tweede station ligt op 90 meter (295 voet) afstand in de tegenovergestelde richting.

De verstrengelde fotonen reizen via single-mode optische vezel naar de meetstations, waar hun polarisatietoestand wordt gemeten met een Pockels-cel en de fotonen worden gedetecteerd door supergeleidende nanodraad-single-fotondetectoren.

Bij het ontwerpen van hun experiment, de onderzoekers probeerden drie belangrijke problemen te overwinnen:het idee dat verlies en ruis detectie onbetrouwbaar maken (de detectiemaas), het idee dat elke communicatie die de meetkeuzes van Alice en Bob beïnvloedt, de meting bedrieglijk maakt (de maas in de plaats), en het idee dat een meetinstellingskeuze die niet "echt vrij en willekeurig" is, ervoor zorgt dat het resultaat kan worden gecontroleerd door een verborgen oorzaak in het gemeenschappelijke verleden (de maas in de keuzevrijheid).

Om het eerste probleem aan te pakken, Li en zijn collega's toonden aan dat hun opstelling een voldoende laag niveau van verlies en ruis bereikte door metingen aan het begin en het einde van de reis van het foton te vergelijken. Om het tweede aan te pakken, ze bouwden de experimentele opstelling met ruimte-achtige scheiding tussen de gebeurtenissen van de keuze van de meetinstelling. Om de derde aan te pakken, ze baseerden hun meetinstellingskeuzes op kosmisch fotongedrag van 11 jaar eerder, wat veel vertrouwen biedt dat niets in het gedeelde verleden van de deeltjes - in ieder geval de afgelopen 11 jaar - een verborgen variabele heeft gecreëerd die de uitkomst beïnvloedt.

Door theoretisch berekende voorspellingen te combineren met experimentele resultaten, de onderzoekers waren in staat om kwantuminteracties tussen de verstrengelde fotonparen aan te tonen met een hoge mate van vertrouwen en trouw. Hun experiment levert dus robuust bewijs dat kwantumeffecten, in plaats van verborgen variabelen, zitten achter het gedrag van de deeltjes.