Kvantové provázání zůstává jedním z nejnáročnějších studijních oborů pro moderní fyziky. Einstein popsal jako „strašidelnou akci na dálku“ a vědci se dlouho snažili sladit, jak může tento aspekt kvantové mechaniky koexistovat s klasickou mechanikou. Skutečnost, že dvě částice mohou být spojeny na velké vzdálenosti, v podstatě porušuje pravidla lokality a realismu.
Formálně se jedná o porušení Bellovy nerovnosti, teorie, která se po desetiletí používá k prokázání, že lokalita a realismus jsou platné, přestože jsou v rozporu s kvantovou mechanikou. Nicméně v a nedávné studie , tým výzkumníků z Ludwig-Maximilian University (LMU) a Institut Maxe Plancka pro kvantovou optiku v Mnichově provedli testy, které opět porušují Bellovu nerovnost a dokazují existenci zapletení.
Jejich studie s názvem „ Zvonový test připravený na událost s použitím zamotaných atomů současně s uzavřením detekčních a lokalitních mezer “, byl nedávno zveřejněn vFyzické kontrolní dopisy. Tým vedený Wenjaminem Rosenfeldem, fyzikem na LMU a Institutu Maxe Plancka pro kvantovou optiku, se snažil otestovat Bellovu nerovnost propletením dvou částic na dálku.
John Bell, irský fyzik, který vymyslel test, který měl ukázat, že příroda ‚neskrývá proměnné‘, jak navrhoval Einstein. Kredit: CERN
Bellova nerovnost (pojmenovaná po irském fyzikovi Johnu Bellovi, který ji navrhl v roce 1964) v podstatě říká, že vlastnosti objektů existují nezávisle na tom, zda jsou pozorovány (realismus), a žádná informace ani fyzikální vliv se nemůže šířit rychleji než rychlostí světla (lokality). Tato pravidla dokonale popisovala realitu, kterou my lidské bytosti každodenně zažíváme, kdy věci jsou zakořeněny v určitém prostoru a čase a existují nezávisle na pozorovateli.
Zdá se však, že na kvantové úrovni se věci neřídí těmito pravidly. Nejenže mohou být částice spojeny nelokálními způsoby na velké vzdálenosti (tj. propletením), ale vlastnosti těchto částic nelze definovat, dokud nejsou změřeny. A zatímco všechny experimenty potvrdily, že předpovědi kvantové mechaniky jsou správné, někteří vědci nadále tvrdili, že existují mezery, které umožňují místní realismus.
K vyřešení tohoto problému provedl mnichovský tým experiment pomocí dvou laboratoří na LMU. Zatímco první laboratoř se nacházela v suterénu katedry fyziky, druhá byla umístěna v suterénu katedry ekonomiky – zhruba 400 metrů odtud. V obou laboratořích týmy zachytily jeden atom rubidia do aktuální pasti a poté je začaly vzrušovat, dokud neuvolnili jediný foton.
Jak vysvětlil Dr. Wenjamin Rosenfeld v Institutu Maxe Plancka tisková zpráva :
„Naše dvě pozorovatelské stanice jsou provozovány nezávisle a jsou vybaveny vlastními laserovými a řídicími systémy. Vzhledem ke vzdálenosti 400 metrů mezi laboratořemi by komunikace mezi laboratořemi trvala 1328 nanosekund, což je mnohem více než doba trvání procesu měření. Žádné informace o měření v jedné laboratoři tedy nelze použít v jiné laboratoři. Tak uzavíráme místní mezeru.'
Experiment byl proveden na dvou místech vzdálených od sebe 398 metrů v kampusu Ludwig Maximilian University v Mnichově v Německu. Kredit: Rosenfeld et al/American Physical Society
Jakmile byly dva atomy rubidia excitovány do bodu uvolnění fotonu, spinové stavy atomů rubidia a polarizační stavy fotonů byly účinně propleteny. Fotony pak byly spojeny do optických vláken a vedeny do sestavy, kde byly přivedeny k interferenci. Po provedení měření po dobu osmi dnů byli vědci schopni shromáždit přibližně 10 000 událostí, aby zkontrolovali, zda nejsou známky zapletení.
To by bylo naznačeno rotacemi dvou zachycených atomů rubidia, které by směřovaly stejným směrem (nebo opačným směrem, v závislosti na druhu zapletení). Mnichovský tým zjistil, že u naprosté většiny událostí byly atomy ve stejném stavu (nebo v opačném stavu) a že existovalo pouze šest odchylek v souladu s Bellovou nerovností.
Tyto výsledky byly také statisticky významnější než výsledky získané týmem Nizozemští fyzici v roce 2015 . V zájmu této studie provedl nizozemský tým experimenty s použitím elektronů v diamantech v laboratořích, které byly od sebe vzdálené 1,3 km. Nakonec jejich výsledky (a další nedávné testy Bellovy nerovnosti) ukázaly, že kvantová provázanost je skutečná, což účinně uzavírá mezeru v místním realismu.
Jak vysvětlil Wenjamin Rosenfeld, testy provedené jeho týmem šly nad rámec těchto jiných experimentů tím, že řešily další zásadní problém. 'Byli jsme schopni určit spin-stav atomů velmi rychle a velmi efektivně,' řekl. 'Tím jsme uzavřeli druhou potenciální mezeru: předpoklad, že pozorované narušení je způsobeno neúplným vzorkem detekovaných párů atomů.'
Získáním důkazu o porušení Bellovy nerovnosti vědci nejen pomáhají vyřešit přetrvávající nesoulad mezi klasickou a kvantovou fyzikou. Také otevírají dveře několika vzrušujícím možnostem. Vědci například po léta předpokládali vývoj kvantových procesorů, které se spoléhají na zapletení při simulaci nul a jedniček binárního kódu.
Počítače, které se spoléhají na kvantovou mechaniku, by byly exponenciálně rychlejší než běžné mikroprocesory a zahájily by nový věk výzkumu a vývoje. Stejné principy byly navrženy pro kybernetickou bezpečnost, kde by bylo k šifrování informací použito kvantové šifrování, což by je učinilo nezranitelnými pro hackery, kteří se spoléhají na konvenční počítače.
V neposlední řadě je tu koncept Quantum Entanglement Communications, metoda, která by nám umožnila přenášet informace rychleji, než je rychlost světla. Představte si možnosti cestování a průzkumu vesmíru, pokud už nejsme svázáni limity relativistické komunikace!
Einstein se nemýlil, když kvantové zapletení charakterizoval jako „strašidelnou akci“. Ve skutečnosti je mnoho důsledků tohoto jevu pro fyziky stále stejně děsivé jako fascinující. Ale čím blíže tomu budeme rozumět, tím blíže budeme k rozvoji porozumění tomu, jak do sebe všechny známé fyzické síly vesmíru zapadají – alias. teorie všeho!
Další čtení: Věda , Fyzické kontrolní dopisy