Квантовая запутанность разрушает локальную причинность Эйнштейна: будущее вычислений и криптографии

Автор: ETH Zurich, 11 мая 2023 г.

Исследователи ETH Zurich провели тест Белла без лазеек со сверхпроводящими цепями, подтвердив квантовую механику и опровергнув концепцию локальной причинности Эйнштейна. Результаты открывают возможности в распределенных квантовых вычислениях и квантовой криптографии.

Исследователям ETH Zurich удалось продемонстрировать, что квантово-механические объекты, находящиеся далеко друг от друга, могут коррелировать друг с другом гораздо сильнее, чем это возможно в обычных системах. Для этого эксперимента они впервые использовали сверхпроводящие цепи.

Частичный участок квантового соединения длиной 30 метров между двумя сверхпроводящими цепями. В вакуумной трубке (в центре) находится микроволновый волновод, охлаждаемый примерно до –273°C и соединяющий два квантовых контура. Фото: ETH Zurich / Дэниел Винклер

Группа исследователей под руководством Андреаса Вальраффа, профессора физики твердого тела в ETH Zurich, провела тест Белла без лазеек, чтобы опровергнуть концепцию «локальной причинности», сформулированную Альбертом Эйнштейном в ответ на квантовую механику. Показав, что квантово-механические объекты, находящиеся далеко друг от друга, могут коррелировать друг с другом гораздо сильнее, чем это возможно в обычных системах, исследователи предоставили дополнительное подтверждение квантовой механике. Особенностью этого эксперимента является то, что исследователям впервые удалось провести его с использованием сверхпроводящих схем, которые считаются многообещающими кандидатами для создания мощных квантовых компьютеров.

Тест Белла основан на экспериментальной установке, которая изначально была разработана как мысленный эксперимент британским физиком Джоном Беллом в 1960-х годах. Белл хотел решить вопрос, о котором великие физики спорили уже в 1930-х годах: верны ли предсказания квантовой механики, которые полностью противоречат повседневной интуиции, или же традиционные концепции причинности применимы и в атомном микрокосме? как считал Альберт Эйнштейн?

Чтобы ответить на этот вопрос, Белл предложил выполнить случайное измерение двух запутанных частиц одновременно и проверить его на соответствие неравенству Белла. Если концепция локальной причинности Эйнштейна верна, эти эксперименты всегда будут удовлетворять неравенству Белла. Напротив, квантовая механика предсказывает, что они ее нарушат.

Вид внутри участка квантовой связи длиной 30 метров. Алюминиевый волновод (в центре), охлажденный почти до абсолютного нуля, соединяет два квантовых контура. Несколько слоев медной защиты защищают проводник от теплового излучения. Фото: ETH Zurich / Дэниел Винклер

В начале 1970-х годов Джон Фрэнсис Клаузер, получивший в прошлом году Нобелевскую премию по физике, и Стюарт Фридман провели первый практический тест Белла. В своих экспериментах оба исследователя смогли доказать, что неравенство Белла действительно нарушается. Но им пришлось сделать определенные предположения в своих экспериментах, чтобы иметь возможность их проводить. Таким образом, теоретически Эйнштейн мог быть прав, скептически относясь к квантовой механике.

Однако со временем все больше и больше этих лазеек могут быть закрыты. Наконец, в 2015 году различным группам удалось провести первые по-настоящему свободные от лазеек тесты Bell, тем самым окончательно разрешив старый спор.

Исследователи разработали собственный криостат для эффективного охлаждения 30-метрового квантового соединения. Он установлен в середине квантовой связи. Фото: ETH Zurich / Дэниел Винклер

Группа Вальраффа теперь может подтвердить эти результаты с помощью нового эксперимента. Работа исследователей ETH, опубликованная в известном научном журнале Nature, показывает, что исследования по этой теме еще не завершены, несмотря на первоначальное подтверждение семь лет назад. На это есть несколько причин. Во-первых, эксперимент исследователей ETH подтверждает, что сверхпроводящие цепи тоже работают в соответствии с законами квантовой механики, хотя они намного больше, чем микроскопические квантовые объекты, такие как фотоны или ионы. Электронные схемы размером в несколько сотен микрометров, изготовленные из сверхпроводящих материалов и работающие на микроволновых частотах, называются макроскопическими квантовыми объектами.