In de jaren dertig, toen wetenschappers, waaronder Albert Einstein en Erwin Schrödinger, voor het eerst het fenomeen verstrengeling ontdekten, stonden ze perplex. Verstrengeling, verontrustend, vereiste dat twee gescheiden deeltjes verbonden moesten blijven zonder in direct contact te zijn. Einstein noemde verstrengeling beroemd "spookachtige actie op afstand", omdat de deeltjes sneller leken te communiceren dan de snelheid van het licht.

Om de bizarre implicaties van verstrengeling uit te leggen, betoogde Einstein, samen met Boris Podolsky en Nathan Rosen (EPR), dat "verborgen variabelen" aan de kwantummechanica moeten worden toegevoegd om verstrengeling te verklaren en om "lokaliteit" en "causaliteit" in het gedrag te herstellen van de deeltjes. Locality stelt dat objecten alleen worden beïnvloed door hun directe omgeving. Causaliteit stelt dat een effect niet kan optreden vóór de oorzaak, en dat causale signalering zich niet sneller kan voortplanten dan de lichtsnelheid. Niels Bohr betwistte op beroemde wijze het argument van EPR, terwijl Schrödinger en Wendell Furry, in reactie op EPR, onafhankelijk veronderstelden dat verstrengeling verdwijnt met brede deeltjesscheiding.

Helaas was er toen geen experimenteel bewijs voor of tegen kwantumverstrengeling van ver van elkaar verwijderde deeltjes. Experimenten hebben sindsdien bewezen dat verstrengeling zeer reëel en fundamenteel is voor de natuur. Bovendien is inmiddels bewezen dat de kwantummechanica werkt, niet alleen op zeer korte afstanden, maar ook op zeer grote afstanden. Inderdaad, de met kwantumversleutelde communicatiesatelliet van China, Micius, vertrouwt op kwantumverstrengeling tussen fotonen die duizenden kilometers van elkaar verwijderd zijn.

De allereerste van deze experimenten werd voorgesteld en uitgevoerd door Caltech-alumnus John Clauser (BS '64) in respectievelijk 1969 en 1972. Zijn bevindingen zijn gebaseerd op de stelling van Bell, bedacht door CERN-theoreticus John Bell. In 1964 bewees Bell ironisch genoeg dat het argument van EPR in feite leidde tot de tegenovergestelde conclusie van wat EPR oorspronkelijk had willen laten zien. Bell toonde aan dat kwantumverstrengeling in feite onverenigbaar is met EPR's notie van lokaliteit en causaliteit.

In 1969, terwijl hij nog een afgestudeerde student aan de Columbia University was, transformeerde Clauser, samen met Michael Horne, Abner Shimony en Richard Holt, de wiskundige stelling van Bell uit 1964 in een zeer specifieke experimentele voorspelling via wat nu de Clauser-Horne-Shimony-Holt wordt genoemd. (CHSH) ongelijkheid (Hun paper is meer dan 8.500 keer geciteerd op Google Scholar.) In 1972, toen hij een postdoctoraal onderzoeker was aan UC Berkeley en Lawrence Berkeley National Laboratory, waren Clauser en afgestudeerde student Stuart Freedman de eersten die experimenteel bewezen dat twee ver van elkaar gescheiden deeltjes (ongeveer 10 voet uit elkaar) kunnen verstrengeld raken. Clauser voerde nog drie experimenten uit om de fundamenten van de kwantummechanica en verstrengeling te testen, waarbij elk nieuw experiment zijn resultaten bevestigde en uitbreidde. Het Freedman-Clauser-experiment was de eerste test van de CHSH-ongelijkheid. Het is nu honderden keren experimenteel getest in laboratoria over de hele wereld om te bevestigen dat kwantumverstrengeling echt is.

Clauser's werk leverde hem in 2010 de Wolf Prize in physics op. Hij deelde het met Alain Aspect van het Institut d' Optique en Ecole Polytechnique en Anton Zeilinger van de Universiteit van Wenen en de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen "voor een steeds geavanceerdere reeks tests van Bell's ongelijkheden, of uitbreidingen daarvan, met behulp van verstrengelde kwantumtoestanden, " volgens de onderscheiding.

Hier beantwoordt John Clauser vragen over zijn historische experimenten.

We hebben gehoord dat uw idee om de principes van verstrengeling te testen onaantrekkelijk was voor andere natuurkundigen. Kun je ons daar meer over vertellen?

In de jaren zestig en zeventig was experimenteel testen van de kwantummechanica niet populair bij Caltech, Columbia, UC Berkeley en elders. Mijn faculteit aan Columbia vertelde me dat het testen van kwantumfysica mijn carrière zou vernietigen. Terwijl ik het Freedman-Clauser-experiment uit 1972 uitvoerde aan UC Berkeley, was Richard Feynman van Caltech zeer beledigd door mijn onbeschaamde poging en vertelde me dat het neerkwam op het verkondigen van ongeloof in de kwantumfysica. Hij hield arrogant vol dat de kwantummechanica duidelijk correct is en niet verder getest hoeft te worden! Mijn ontvangst bij UC Berkeley was op zijn best lauw en was alleen mogelijk door de vriendelijkheid en tolerantie van professoren Charlie Townes [Ph.D. '39, Nobelprijswinnaar '64] en Howard Shugart [BS '53], die me toestonden mijn experimenten daar voort te zetten.

In mijn correspondentie met John Bell drukte hij precies het tegenovergestelde gevoel uit en moedigde hij me sterk aan om een ​​experiment te doen. John Bell's baanbrekende werk uit 1964 over de stelling van Bell werd oorspronkelijk gepubliceerd in het laatste nummer van een obscuur tijdschrift, Physics , en in een ondergrondse natuurkundekrant, Epistemological Letters . Pas nadat de CHSH-paper uit 1969 en de resultaten van Freedman-Clauser uit 1972 waren gepubliceerd in de Physical Review Letters dat John Bell eindelijk openlijk over zijn werk sprak. Hij was zich bewust van het taboe op het in twijfel trekken van de fundamenten van de kwantummechanica en had er nooit met zijn CERN-collega's over gesproken.

Waarom wilde je toch doorgaan met de experimenten?

Een deel van de reden dat ik de ideeën wilde testen, was omdat ik ze nog steeds probeerde te begrijpen. Ik vond de voorspellingen voor verstrengeling zo bizar dat ik ze niet kon accepteren zonder experimenteel bewijs te zien. Ik herkende ook het fundamentele belang van de experimenten en negeerde gewoon het loopbaanadvies van mijn faculteit. Bovendien had ik veel plezier met het doen van een aantal zeer uitdagende experimentele natuurkunde met apparaten die ik grotendeels heb gebouwd met restanten van de afdeling natuurkunde. Voordat Stu Freedman en ik het eerste experiment deden, dacht ik ook persoonlijk dat Einsteins fysica met verborgen variabelen misschien wel klopt, en als dat zo is, dan wilde ik het ontdekken. Ik vond de ideeën van Einstein heel duidelijk. Ik vond Bohr's nogal modderig en moeilijk te begrijpen.

Wat had je verwacht te vinden toen je de experimenten deed?

Eerlijk gezegd wist ik echt niet wat ik kon verwachten, behalve dat ik eindelijk zou bepalen wie gelijk had:Bohr of Einstein. Ik wed weliswaar in het voordeel van Einstein, maar wist eigenlijk niet wie er zou winnen. Het is alsof je naar het circuit gaat. Je hoopt misschien dat een bepaald paard zal winnen, maar dat weet je pas echt als de resultaten binnen zijn. In dit geval bleek Einstein het bij het verkeerde eind te hebben. In de traditie van Caltech's Richard Feynman en Kip Thorne [BS '62], die wetenschappelijke weddenschappen zouden plaatsen, had ik een weddenschap afgesloten met kwantumfysicus Yakir Aharonov over de uitkomst van het Freedman-Clauser-experiment. Vreemd genoeg betaalde hij slechts één dollar voor mijn twee. Ik verloor de weddenschap en sloot een biljet van twee dollar bij en gefeliciteerd toen ik hem een ​​preprint met onze resultaten mailde.

Ik was erg verdrietig om te zien dat mijn eigen experiment Einstein ongelijk had bewezen. Maar het experiment gaf een resultaat van 6,3 sigma tegen hem [een resultaat van vijf sigma of hoger wordt beschouwd als de gouden standaard voor significantie in de natuurkunde]. Maar toen kreeg het concurrerende experiment van Dick Holt en Frank Pipkin op Harvard (nooit gepubliceerd) het tegenovergestelde resultaat. Ik vroeg me af of ik misschien een belangrijk detail over het hoofd had gezien. Ik ging alleen verder bij UC Berkeley om nog drie experimentele tests van de kwantummechanica uit te voeren. Allen leverden dezelfde conclusies op. Bohr had gelijk en Einstein had ongelijk. Het resultaat van Harvard herhaalde zich niet en was defect. Toen ik weer contact kreeg met mijn Columbia-faculteit, zeiden ze allemaal:"Dat hebben we je toch gezegd! Stop nu met geld verspillen en ga echte natuurkunde doen." Op dat moment in mijn carrière was de enige waarde in mijn werk dat het aantoonde dat ik een redelijk getalenteerde experimenteel fysicus was. Dat feit alleen al bezorgde me een baan bij het Lawrence Livermore National Lab, waar ik onderzoek deed naar plasmafysica met gecontroleerde fusie.

Kun je ons helpen te begrijpen wat je experimenten precies hebben laten zien?

Om te verduidelijken wat de experimenten lieten zien, formuleerden Mike Horne en ik wat nu bekend staat als Clauser-Horne Local Realism [1974]. Aanvullende bijdragen eraan werden vervolgens aangeboden door John Bell en Abner Shimony, dus misschien wordt het beter Bell-Clauser-Horne-Shimony Local Realism genoemd. Lokaal realisme was van zeer korte duur als een levensvatbare theorie. Het werd inderdaad experimenteel weerlegd, zelfs voordat het volledig was geformuleerd. Desalniettemin is lokaal realisme heuristisch belangrijk omdat het in detail laat zien wat kwantummechanica niet is.

Lokaal realisme gaat ervan uit dat de natuur bestaat uit spullen, uit objectief reële objecten, d.w.z. e., dingen die je in een doos kunt doen. (Een doos hier is een denkbeeldig gesloten oppervlak dat gescheiden binnen- en buitenvolumes definieert.) Het veronderstelt verder dat objecten bestaan, of we ze nu waarnemen of niet. Evenzo wordt aangenomen dat definitieve experimentele resultaten worden verkregen, of we er nu naar kijken of niet. We weten misschien niet wat het spul is, maar we nemen aan dat het bestaat en dat het door de ruimte wordt verspreid. Dingen kunnen zowel deterministisch als stochastisch evolueren. Lokaal realisme gaat ervan uit dat de spullen in een doos intrinsieke eigenschappen hebben, en dat wanneer iemand een experiment in de doos uitvoert, de waarschijnlijkheid van een resultaat dat wordt verkregen op de een of andere manier wordt beïnvloed door de eigenschappen van de spullen in die doos. Als men bijvoorbeeld een ander experiment uitvoert met verschillende experimentele parameters, dan krijgt men vermoedelijk een ander resultaat. Stel nu dat je twee ver uit elkaar liggende dozen hebt, elk met spullen. Lokaal realisme gaat er verder van uit dat de experimentele parameterkeuze die in één doos wordt gemaakt, de experimentele uitkomst in de verre doos niet kan beïnvloeden. Lokaal realisme verbiedt daarmee spookachtige actie-op-afstand. Het dwingt Einsteins causaliteit af die dergelijke niet-lokale oorzaak en gevolg verbiedt. Verrassend genoeg zijn die eenvoudige en zeer redelijke veronderstellingen op zichzelf voldoende om een ​​tweede belangrijke experimentele voorspelling af te leiden die de correlatie tussen experimentele resultaten die in de gescheiden vakken zijn verkregen, beperkt. Die voorspelling is de Clauser-Horne (CH) ongelijkheid uit 1974.

De afleiding van de CHSH-ongelijkheid uit 1969 had een aantal kleine aanvullende aannames nodig, soms "mazen in de wet" genoemd. De afleiding van de CH-ongelijkheid elimineert die aanvullende veronderstellingen en is dus algemener. Er bestaan ​​kwantumverstrengelde systemen die het niet eens zijn met de CH-voorspelling, waarbij lokaal realisme vatbaar is voor experimentele weerlegging. De CHSH- en CH-ongelijkheden worden beide geschonden, niet alleen door het eerste Freedman-Clauser-experiment uit 1972 en mijn tweede experiment uit 1976, maar nu door letterlijk honderden bevestigende onafhankelijke experimenten. Verschillende laboratoria hebben de CHSH-ongelijkheid nu verstrengeld en geschonden met fotonparen, beryllium-ionenparen, ytterbium-ionenparen, rubidium-atoomparen, hele rubidium-atoomwolkparen, stikstofvacatures in diamanten en Josephson-fasequbits.

Het testen van lokaal realisme en de CH-ongelijkheid werd door veel onderzoekers als belangrijk beschouwd om de CHSH-mazen te dichten. Er werd dus een aanzienlijke inspanning geleverd, omdat de kwantumoptica-technologie verbeterde en toestond. Het testen van de CH-ongelijkheid was een heilige graaluitdaging geworden voor experimentatoren. Schending van de CH-ongelijkheid werd uiteindelijk voor het eerst bereikt in 2013 en opnieuw in 2015 in twee concurrerende laboratoria:de groep van Anton Zeilinger aan de Universiteit van Wenen en de groep van Paul Kwiat aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Bij de experimenten van 2015 waren 56 onderzoekers betrokken! Lokaal realisme wordt nu stevig weerlegd! De overeenkomst tussen de experimenten en de kwantummechanica bewijst nu duidelijk dat niet-lokale kwantumverstrengeling echt is.

Wat zijn enkele van de belangrijke technologische toepassingen van uw werk?

Een toepassing van mijn werk is het eenvoudigst mogelijke object gedefinieerd door Lokaal Realisme:een enkel stukje informatie. Lokaal realisme laat zien dat een enkel kwantummechanisch stukje informatie, een 'qubit', niet altijd kan worden gelokaliseerd in een ruimte-tijdbox. Dit feit vormt de fundamentele basis van de kwantuminformatietheorie en kwantumcryptografie. Het kwantumwetenschaps- en technologieprogramma van Caltech, het Amerikaanse National Quantum Initiative van $ 1,28 miljard in 2019 en het Israëlische National Quantum Initiative van $ 400 miljoen in 2019 vertrouwen allemaal op de realiteit van verstrengeling. De configuratie van het Chinese Micius quantum-gecodeerde communicatiesatellietsysteem is bijna identiek aan die van het Freedman-Clauser-experiment. Het gebruikt de CHSH-ongelijkheid om de persistentie van verstrengeling door de ruimte te verifiëren. + Verder verkennen

Onderzoekers toonden schending van Bell's ongelijkheid aan op frequentie-bin verstrengelde fotonparen