Заплетени квантови вериги опровергават концепцията на Айнщайн за локалната причинност

Нов експеримент със свръхпроводящи кубити показа, че квантовата механика нарушава т.нар. локален реализъм, като позволява на два обекта да се държат като една единна квантова система, независимо от разстоянието, което ги разделя. Това не е първият подобен експеримент, но за първи път учените използват свръхпроводящи вериги, за които се счита, че са потенциални кандидати за ролята на мощни квантови компютри на бъдещето.

През 60-те години на миналия век физикът Джон Бел прави мисловен експеримент. Той е искал да отговори на въпроса дали прогнозите на квантовата механика, които изглеждат парадоксални, са верни, или традиционните концепции за причинно-следствената връзка са приложими и в атомния микрокосмос, както е смятал Алберт Айнщайн?

За да отговори на този въпрос, Бел предлага да се извършат случайни измервания на два заплетени фотона по едно и също време и да се проверят с неравенствата на Бел. Ако идеята за локалната причинност е вярна, тези експерименти винаги ще удовлетворяват неравенствата на Бел. Точно обратното, квантовата механика твърди, че те ще бъдат нарушени.

В началото на 70-те години физиците Джон Клаузер и Стюарт Фридман провеждат първия експеримент на Бел на практика. Те успяват да докажат, че неравенството на Бел наистина е нарушено. Но за да могат да проведат експериментите си, те е трябвало да направят някои допускания в тях.

Така че теоретично все още има вероятност Айнщайн да е бил прав в скептицизма си по отношение на квантовата механика.

Времето обаче минава и постепенно все повече и повече вратички в експеримента се затварят. Накрая, през 2015 г., учените провеждат последните експерименти на Бел, с което слагат край на спора.

Екипът на Андреас Валраф, професор в Швейцарския федерален технологичен институт в Цюрих, успя да потвърди тези резултати чрез провеждането на нов експеримент, пише Phys.org. Причините за повторението му бяха няколко: първо, новият експеримент потвърди, че свръхпроводящите вериги също се подчиняват на законите на квантовата механика, въпреки че са много по-големи от микроскопичните квантови обекти като фотони или йони. Да напомним, че електронните схеми с размер няколкостотин микрометра, работещи на микровълнови честоти, се считат за макроскопични квантови обекти. Второ, експериментите на Бел имат практическо значение, по-специално могат много успешно да се прилагат в криптографията.

За да бъде опитът на Бел наистина лишен от всякакви пропуски и вратички, не трябва да има обмен на информация между двете заплетени вериги преди измерванията. И тъй като тази информация може да бъде прехвърлена със скоростта на светлината, измерванията трябва да отнемат по-малко време, отколкото е необходимо на един фотон да премине от едната верига до другата.

Ето защо учените от екипа на Валраф е трябвало да намерят компромис между разстоянието и сложността на експерименталното оборудване, която се увеличава с увеличаване на разстоянието. Това произтича от факта, че целият експеримент се провежда във вакуум при температура, близка до абсолютната нула. В мазето на кампуса те поставили два криостата със свръхпроводящи вериги, които са свързани с 30-метрова тръба, в която температурата е -273,15 градуса по Целзий.

Преди началото на измерванията един фотон е прехвърлен от едната верига в другата, така че двете вериги се оказват заплетени. След това генератор на случайни числа определя кои измервания да се извършат като част от експеримента на Бел. Накрая изследователите сравнили измерванията.

Резултатите от оценката показаха, че с голяма статистическа вероятност неравенството на Бел е нарушено в този експеримент. С други думи, учените потвърдиха, че квантовата механика допуска нелокални корелации в макроскопичните електрически вериги и следователно, че свръхпроводящите вериги могат да бъдат заплетени на големи разстояния.

Това открива интересни възможности в областта на разпределените квантови изчисления и квантовата криптография.