Fenomenet quantum nonlocality trotsar vår vardagliga intuition. Den visar de starka korrelationerna mellan flera kvantpartiklar av vilka några ändrar sitt tillstånd omedelbart när de andra mäts, oavsett avståndet mellan dem. Även om detta fenomen har bekräftats för långsamt rörliga partiklar, det har diskuterats om icke-lokalitet bevaras när partiklar rör sig mycket snabbt med hastigheter nära ljusets hastighet, och ännu mer när dessa hastigheter är kvantmekaniskt obestämda. Nu, forskare från universitetet i Wien, den österrikiska vetenskapsakademin och Perimeterinstitutet rapporterar i senaste numret av Fysiska granskningsbrev att icke-lokalitet är en universell egendom för världen, oavsett hur och med vilken hastighet kvantpartiklar rör sig.

Det är lätt att illustrera hur samband kan uppstå i vardagen. Föreställ dig att du skickar två av dina vänner varje dag i månaden, Alice och Bob, en leksaksmotor av en uppsättning av två för deras samling. Du kan välja att var och en av motorerna ska vara antingen röda eller blå eller antingen elektriska eller ånga. Dina vänner är åtskilda av ett stort avstånd och vet inte om ditt val. När deras paket anländer, de kan kontrollera färgen på sin motor med en enhet som kan skilja mellan rött och blått eller kontrollera om motorn är elektrisk eller ånga med en annan enhet. De jämför de mätningar som gjorts över tid för att leta efter särskilda korrelationer. I vår vardagliga värld, sådana samband följer två principer - "realism" och "lokalitet". "Realism" betyder att Alice och Bob bara avslöjar vilken färg eller mekanismen på motorn du hade valt tidigare, och "lokalitet" betyder att Alices mått inte kan ändra färgen eller mekanismen på Bobs motor (eller vice versa). Bells teorem, publicerades 1964 och anses av vissa vara en av de djupaste upptäckterna i fysikens grunder, visade att korrelationer i kvantvärlden är oförenliga med de två principerna - ett fenomen som kallas kvant icke-lokalitet.

Quantum nonlocality har bekräftats i många experiment, de så kallade Bell-testerna, på atomer, joner och elektroner. Det har inte bara djupa filosofiska implikationer, men stöder också många av tillämpningarna som kvantberäkning och kvantsatellitkommunikation. Dock, i alla dessa experiment, partiklarna var antingen i vila eller rörde sig med låga hastigheter (forskare kallar denna regim "icke-relativistisk"). Ett av de olösta problemen inom detta område, som fortfarande förbryllar fysiker, är om icke-lokalitet bevaras när partiklar rör sig extremt snabbt, nära ljusets hastighet (dvs. i den relativistiska regimen), eller när de inte ens rör sig med en väldefinierad hastighet.

För två kvantpartiklar i ett Bells test, som rör sig med höga hastigheter, forskare förutspår att korrelationerna mellan partiklarna är, i princip, nedsatt. Dock, om Alice och Bob anpassar sina mätningar på ett sätt som beror på partiklarnas hastighet är korrelationerna mellan resultaten av deras mätningar fortfarande icke-lokala. Nu, föreställ dig att inte bara partiklarna rör sig väldigt snabbt, men deras hastighet är också obestämd:varje partikel rör sig i en så kallad superposition av olika hastigheter samtidigt, precis som den ökända Schrödingers katt samtidigt är död och levande. I så fall, är deras beskrivning av världen fortfarande icke-lokal?

Forskare, ledd av Časlav Brukner vid universitetet i Wien och den österrikiska vetenskapsakademin, har visat att Alice och Bob verkligen kan designa ett experiment som skulle bevisa att världen är icke-lokal. För detta, de använde en av fysikens mest grundläggande principer, nämligen att fysiska fenomen inte beror på den referensram från vilken vi observerar dem. Till exempel, enligt denna princip, någon observatör, om man flyttar eller inte, kommer att se att ett äpple som faller från ett träd kommer att röra vid marken. Forskarna gick ett steg längre och utökade denna princip till referensramar "fästa" till kvantpartiklar. Dessa kallas "kvantreferensramar". Den viktigaste insikten är att om Alice och Bob kunde röra sig med kvantreferensramarna tillsammans med sina respektive partiklar, de kunde utföra det vanliga Bell-testet, eftersom för dem skulle partiklarna vara i vila. På det här sättet, de kan bevisa kvant-icke-lokalitet för vilken kvantpartikel som helst, oavsett om hastigheten är obestämd eller nära ljusets.

Flaminia Giacomini, en av studiens författare, säger, "Vårt resultat bevisar att det är möjligt att designa ett Bell-experiment för partiklar som rör sig i en kvantöverlagring med mycket höga hastigheter." Medförfattaren, Lucas Streiter, avslutar, "Vi har visat att icke-lokalitet är en universell egenskap för vår värld." Deras upptäckt förväntas öppna applikationer inom kvantteknik, såsom kvantsatellitkommunikation och kvantberäkning, med hjälp av relativistiska partiklar.