Een van de meest fundamentele kenmerken van de kwantumfysica is de niet-lokaliteit van Bell:het feit dat de voorspellingen van de kwantummechanica door geen enkele lokale (klassieke) theorie kunnen worden verklaard. Dit heeft opmerkelijke conceptuele consequenties en vergaande toepassingen in kwantuminformatie.

Echter, in onze dagelijkse ervaring, macroscopische objecten lijken zich te gedragen volgens de regels van de klassieke natuurkunde, en de correlaties die we zien zijn lokaal. Is dit echt zo, of kunnen we deze visie aanvechten? In een recent artikel in Fysieke beoordelingsbrieven , wetenschappers van de Universiteit van Wenen en het Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen hebben aangetoond dat het mogelijk is om de wiskundige structuur van de kwantumtheorie volledig te behouden binnen de macroscopische limiet. Dit zou kunnen leiden tot waarnemingen van kwantum niet-lokaliteit op macroscopische schaal.

Onze dagelijkse ervaring leert ons dat macroscopische systemen de klassieke natuurkunde gehoorzamen. Het is daarom normaal om te verwachten dat de kwantummechanica de klassieke mechanica moet reproduceren in de macroscopische limiet. Dit staat bekend als het correspondentieprincipe, zoals vastgesteld door Bohr in 1920. Een eenvoudig argument om deze overgang van kwantummechanica naar klassieke mechanica te verklaren, is het grofkorrelige mechanisme:als metingen aan macroscopische systemen een beperkte resolutie hebben en individuele microscopische deeltjes niet kunnen oplossen, dan gedragen de resultaten zich klassiek.

Zo'n betoog, toegepast op (niet-lokale) Bell-correlaties, leidt tot het principe van macroscopische lokaliteit. evenzo, temporele kwantumcorrelaties reduceren tot klassieke correlaties (macroscopisch realisme) en kwantumcontextualiteit reduceert tot macroscopische niet-contextualiteit. Men geloofde sterk dat de overgang van kwantum naar klassiek universeel is, hoewel een algemeen bewijs ontbrak. Om het punt te illustreren, laten we het voorbeeld nemen van kwantum niet-lokaliteit.

Stel dat we twee verre waarnemers hebben, Alice en Bob, die de sterkte van de correlatie tussen hun lokale systemen willen meten. We kunnen ons een typische situatie voorstellen waarin Alice haar kleine kwantumdeeltje meet en Bob hetzelfde doet met het zijne en ze hun waarnemingsresultaten combineren om de bijbehorende correlatie te berekenen. Omdat hun resultaten inherent willekeurig zijn (zoals altijd het geval is in kwantumexperimenten), ze moeten het experiment een groot aantal keren herhalen om het gemiddelde van de correlaties te vinden. De belangrijkste veronderstelling in deze context is dat elke uitvoering van het experiment moet worden herhaald onder exact dezelfde omstandigheden en onafhankelijk van andere uitvoeringen, die bekend staat als de IID-aanname (onafhankelijk en identiek verdeeld).

Bijvoorbeeld, bij het willekeurig opgooien van munten, we moeten ervoor zorgen dat elke worp eerlijk en onbevooroordeeld is, resulterend in een gemeten waarschijnlijkheid van (ongeveer) 50% voor kop/staart na vele herhalingen. Een dergelijke aanname speelt een centrale rol in het bestaande bewijs voor de reductie tot classiciteit in de macroscopische limiet. Echter, macroscopische experimenten beschouwen clusters van kwantumdeeltjes die samengepakt en samen gemeten worden met een beperkte resolutie (grofkorrelig). Deze deeltjes interageren met elkaar, het is dus niet natuurlijk om aan te nemen dat correlaties op microscopisch niveau zijn verdeeld in eenheden van onafhankelijke en identieke paren. Als, wat gebeurt er als we de IID-aanname laten vallen? Bereiken we nog steeds reductie tot de klassieke natuurkunde in de limiet van grote aantallen deeltjes?

In hun recente werk Miguel Gallego (Universiteit van Wenen) en Borivoje Dakić (Universiteit van Wenen en IQOQI) hebben aangetoond dat, verrassend genoeg, kwantumcorrelaties overleven in de macroscopische limiet als correlaties niet IID worden verdeeld op het niveau van microscopische bestanddelen.

"De IID-aanname is niet natuurlijk bij het omgaan met een groot aantal microscopische systemen. Kleine kwantumdeeltjes interageren sterk en kwantumcorrelaties en verstrengeling zijn overal verspreid. Gegeven een dergelijk scenario, we hebben bestaande berekeningen herzien en waren in staat om volledig kwantumgedrag op macroscopische schaal te vinden. Dit is volledig in strijd met het correspondentieprincipe, en de overgang naar classiciteit vindt niet plaats", zegt Borivoje Dakić.

Door rekening te houden met waarneembare fluctuaties (afwijkingen van verwachtingswaarden) en een bepaalde klasse van verstrengelde toestanden met veel lichamen (niet-IID-toestanden), laten de auteurs zien dat de hele wiskundige structuur van de kwantumtheorie (bijv. De regel van Born en het superpositieprincipe) blijft behouden in de limiet. Dit pand, die ze macroscopisch kwantumgedrag noemen, stelt hen direct in staat om aan te tonen dat Bell niet-lokaliteit zichtbaar is in de macroscopische limiet. "Het is verbazingwekkend om kwantumregels op macroscopische schaal te hebben. We hoeven alleen maar fluctuaties te meten, afwijkingen van verwachte waarden, en we zullen kwantumverschijnselen zien in macroscopische systemen. Ik geloof dat dit de deur opent naar nieuwe experimenten en toepassingen, ', zegt Miguel Gallego.