Группа ученых во главе с профессором твердотельной физики Андреасом Валлраффом из ETH Цюриха провела тест Белла без возможности обхода, чтобы опровергнуть концепцию "локальной причинности", сформулированной Альбертом Эйнштейном в ответ на квантовую механику. Исследователи смогли впервые выполнить тест, используя сверхпроводящие цепи, которые считаются перспективными кандидатами для создания мощных квантовых компьютеров. Это экспериментальное подтверждение квантовой механики открывает новые возможности для создания прорывных технологий и расширения нашего понимания микромира.
Тест Белла основан на экспериментальной установке, которая была первоначально разработана как мысленный эксперимент британским физиком Джоном Беллом в 1960-х годах. Белл хотел решить вопрос, о котором уже спорили великие физики в 1930-х годах: верны ли предсказания квантовой механики, которые полностью противоречат повседневной интуиции, или общепринятые концепции причинности также применимы к атомному микрокосме, как считал Альберт Эйнштейн?
Чтобы ответить на этот вопрос, Белл предложил выполнить случайное измерение на двух запутанных частицах одновременно и проверить его на неравенство Белла. Если концепция локальной причинности Эйнштейна верна, эти эксперименты всегда будут удовлетворять неравенству Белла. Напротив, квантовая механика предсказывает, что они нарушат его.
Ученые из группы Андреаса Валлраффа, профессора твердотельной физики в ETH Цюрихе, подтвердили результаты ранее проведенных безусловно достоверных тестов Белла, доказывая нарушение неравенства Белла в экспериментах с использованием сверхпроводящих цепей. Исследование, опубликованное в журнале Nature, показывает, что работа в этой области не ограничивается первоначальным подтверждением семь лет назад. Более того, ученые обнаружили, что сверхпроводящие цепи, несмотря на свой макроскопический размер, все равно подчиняются законам квантовой механики.
Тесты Белла имеют также практическое значение. "Измененные тесты Белла могут использоваться в криптографии, например, для демонстрации того, что информация действительно передается в зашифрованной форме", — объясняет Саймон Сторц, аспирант в группе Валлраффа. "С нашим подходом мы можем эффективнее, чем в других экспериментальных установках, доказать нарушение неравенства Белла. Это делает его особенно интересным для практического применения." Эти результаты подтверждают фундаментальные принципы квантовой механики и открывают новые перспективы для развития квантовых технологий и криптографии.
Поиск компромисса
Исследователи из ЭТХ Цюриха подтвердили теорию квантовой механики, опровергнув идею Эйнштейна о "локальной причинности" с помощью нового эксперимента, произведенного на суперпроводящих контурах. Кроме того, эксперимент подтвердил возможность использования суперпроводящих контуров в качестве перспективных кандидатов для создания мощных квантовых компьютеров. Несмотря на то, что этот эксперимент уже был проведен в 2015 году, он продолжает оставаться актуальным, поскольку он имеет практическое значение в криптографии, позволяя эффективно доказывать нарушение неравенства Белла.
Для проведения подобных тестов необходимы современные установки, чтобы исключить возможность обмена информацией между двумя связанными контурами до завершения квантовых измерений. Кроме того, для того, чтобы тест Белла был действительно надежен, необходимо установить баланс между расстоянием между двумя суперпроводящими контурами и временем измерений, так как на всю операцию необходимо не более 110 наносекунд, чтобы световая частица могла пройти это расстояние в вакууме.
Для проведения успешного эксперимента ученые использовали криостаты, содержащие сверхпроводниковые цепи, расположенные на расстоянии 30 метров друг от друга. Перед началом каждого измерения на одну из сверхпроводниковых цепей передается микроволновый фотон, так что две цепи становятся спутанными. Случайным образом выбираются измерения на двух цепях в рамках теста Белла. Затем результаты измерений на обеих сторонах сравниваются. Результаты показали, что квантовая нелокальность была демонстрирована в макроскопических электрических цепях. В будущем, данная технология может быть использована для распределенных квантовых вычислений и квантовой криптографии.
По словам авторов, строительство объекта и проведение испытаний было сложной задачей. Простое охлаждение всей экспериментальной установки до температуры, близкой к абсолютному нулю, требует значительных усилий. В построенной машине 1,3 тонны меди и 14 000 винтов, а также много физических знаний и инженерных ноу-хау. По словам ученых, подобным образом можно строить объекты, преодолевающие еще большие расстояния.
