Kvantförveckling kan tyckas vara närmare science fiction än något annat i vår fysiska verklighet. Men enligt kvantmekanikens lagar – en gren av fysiken som beskriver världen i skalan av atomer och subatomära partiklar – kvantförveckling, som Einstein en gång skeptiskt såg som "läskig handling på avstånd, " är, faktiskt, verklig.

Föreställ dig två dammfläckar i motsatta ändar av universum, åtskilda av flera miljarder ljusår. Kvantteorin förutspår att, oavsett det stora avståndet som skiljer dem åt, dessa två partiklar kan vara intrasslade. Det är, varje mätning som görs på en kommer omedelbart att förmedla information om resultatet av en framtida mätning på sin partner. Isåfall, resultaten av mätningar på varje medlem i paret kan bli starkt korrelerade.

Om, istället, universum beter sig som Einstein föreställt sig att det skulle – med partiklar som har sina egna, bestämda egenskaper före mätning, och med lokala orsaker som endast kan ge lokala effekter - då borde det finnas en övre gräns för i vilken grad mätningar på varje medlem av partikelparet skulle kunna korreleras. Fysikern John Bell kvantifierade den övre gränsen, nu känd som "Bells ojämlikhet, " för mer än 50 år sedan.

I många tidigare experiment, fysiker har observerat korrelationer mellan partiklar som överstiger gränsen för Bells ojämlikhet, vilket tyder på att de verkligen är intrasslade, precis som förutspått av kvantteorin. Men varje sådant test har varit föremål för olika "kryphål, "-scenarier som kan förklara de observerade korrelationerna även om världen inte styrdes av kvantmekanik.

Nu, fysiker från MIT, universitetet i Wien, och på andra håll har tagit upp ett kryphål i tester av Bells ojämlikhet, känt som kryphålet för valfrihet, och har presenterat en stark demonstration av kvantintrassling även när sårbarheten för detta kryphål är avsevärt begränsad.

"De fastigheter som blir över för skeptikerna till kvantmekaniken har krympt avsevärt, säger David Kaiser, Germeshausen-professorn i vetenskapshistoria och professor i fysik vid MIT. "Vi har inte blivit av med det, men vi har krympt den med 16 storleksordningar."

En forskargrupp inklusive Kaiser; Alan Guth, Victor F. Weisskopf professor i fysik vid MIT; Andrew Friedman, en forskningsassistent vid MIT; och kollegor från
universitetet i Wien och på andra håll har publicerat sina resultat i dag i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Stänger dörren för kvantalternativ

Kryphålet för valfrihet hänvisar till idén att experimenterande har total frihet att välja sin experimentella uppsättning, från typerna av partiklar till intrassling, till de mätningar de väljer att göra på dessa partiklar. Men tänk om det fanns några andra faktorer eller dolda variabler som korrelerade med experimentupplägget, få resultaten att verka vara kvantiskt intrasslade, när de i själva verket var resultatet av någon icke-kvantmekanism?

Fysiker har försökt lösa detta kryphål med extremt kontrollerade experiment, där de producerar ett par intrasslade fotoner från en enda källa, skicka sedan fotonerna till två olika detektorer och mät egenskaperna för varje foton för att bestämma graden av korrelation, eller förveckling. För att utesluta möjligheten att dolda variabler kan ha påverkat resultaten, Forskare har använt slumptalsgeneratorer vid varje detektor för att bestämma vilken egenskap hos varje foton som ska mätas, i en sekund mellan när fotonen lämnar källan och anländer till detektorn.

Men det finns en chans, hur lätt som helst, att dolda variabler, eller icke-kvantinfluenser, kan påverka en slumptalsgenerator innan den vidarebefordrar sitt beslut på en del av en sekund till fotondetektorn.

"I hjärtat av kvantintrång är den höga graden av korrelationer i resultaten av mätningar på dessa par [av partiklar], " Kaiser säger. "Men tänk om en skeptiker eller kritiker insisterade på att dessa korrelationer inte berodde på att dessa partiklar agerar på ett helt kvantmekaniskt sätt? Vi vill ta upp om det finns något annat sätt som dessa samband kunde ha smugit in utan att vi hade märkt det."

"Stjärnor i linje"

Under 2014, Kaiser, Friedman, och deras kollega Jason Gallicchio (nu professor vid Harvey Mudd College) föreslog ett experiment för att använda forntida fotoner från astronomiska källor som stjärnor eller kvasarer som "kosmiska inställningsgeneratorer, " snarare än slumptalsgeneratorer på jorden, för att bestämma de mätningar som ska göras på varje intrasslad foton. Sådant kosmiskt ljus skulle anlända till jorden från objekt som är mycket långt borta - allt från dussintals till miljarder ljusår bort. Således, om några dolda variabler skulle störa slumpmässigheten i valet av mätningar, de skulle ha behövt sätta dessa förändringar i rörelse innan den tid då ljuset lämnade den kosmiska källan, långt innan experimentet på jorden genomfördes.

I denna nya tidning, forskarna har demonstrerat sin idé experimentellt för första gången. Laget, inklusive professor Anton Zeilinger och hans grupp vid

Wiens universitet och österrikiska vetenskapsakademin, sätta upp en källa för att producera mycket intrasslade par av fotoner på taket till ett universitetslaboratorium i Wien. I varje experimentkörning, de sköt ut de intrasslade fotonerna i motsatta riktningar, mot detektorer som finns i byggnader flera stadskvarter bort – den österrikiska centralbanken och en andra universitetsbyggnad.

Forskarna satte också upp teleskop på båda detektorplatserna och tränade dem på stjärnor, den närmaste är cirka 600 ljusår bort, som de tidigare hade bestämt skulle skicka tillräckligt med fotoner, eller stjärnljus, i deras riktning.

"På de nätterna, stjärnorna i linje, " säger Friedman. "Och med ljusa stjärnor som dessa, antalet fotoner som kommer in kan vara som en brandslang. Så vi har dessa mycket snabba detektorer som kan registrera detektioner av kosmiska fotoner på subnanosekunders tidsskalor."

"Out of whack" med Einstein

På några mikrosekunder innan en intrasslad foton anlände till en detektor, forskarna använde varje teleskop för att snabbt mäta en egenskap hos en inkommande stjärnfoton – i det här fallet, om dess våglängd var rödare eller blåare än en viss referensvåglängd. De använde sedan denna slumpmässiga egenskap hos stjärnfotonen, skapad för 600 år sedan av sin stjärna, för att bestämma vilken egenskap hos de inkommande intrasslade fotonerna som ska mätas. I detta fall, röda stjärnfotoner signalerade en detektor att mäta en intrasslad fotons polarisation i en viss riktning. En blå stjärnfoton skulle ställa in enheten för att mäta polariseringen av den intrasslade partikeln i en annan riktning.

Teamet genomförde två experiment, med varje experimentell körning som bara varar i tre minuter. I varje fall, forskarna mätte cirka 100, 000 par intrasslade fotoner. De fann att polarisationsmätningarna av fotonparen var starkt korrelerade, långt över gränsen för Bells ojämlikhet, på ett sätt som enklast förklaras av kvantmekaniken.

"Vi hittar svar som överensstämmer med kvantmekaniken i en enormt stark grad, och enormt ur spel med en Einstein-liknande förutsägelse, " säger Kaiser.

Resultaten representerar förbättringar med 16 storleksordningar jämfört med tidigare ansträngningar för att ta itu med kryphålet för valfrihet.

"Alla tidigare experiment kunde ha varit föremål för detta konstiga kryphål för att ta hänsyn till resultaten mikrosekunder före varje experiment, mot våra 600 år, " säger Kaiser. "Så det är en skillnad på en miljondels sekund mot 600 års sekunders värde - 16 storleksordningar."

"Detta experiment skjuter tillbaka den senaste tiden då konspirationen kunde ha startat, " tillägger Guth. "Vi säger, för att någon galen mekanism ska simulera
kvantmekanik i vårt experiment, den mekanismen måste ha varit på plats för 600 år sedan för att vi skulle kunna göra experimentet här idag, och att ha skickat fotoner med precis rätt meddelanden för att sluta reproducera kvantmekanikens resultat. Så det är väldigt långsökt."

Det finns också en andra, lika långsökt möjlighet, säger Michael Hall, en senior forskare vid Griffith University i Brisbane, Australien.

"När fotoner från de avlägsna stjärnorna når enheterna som bestämmer mätinställningarna, det är möjligt att dessa enheter agerar på något sätt för att ändra färgerna på fotonerna, på ett sätt som är korrelerat med lasern som producerar intrasslingen, säger Hall, som inte var involverad i arbetet. "Detta skulle bara kräva en 10 mikrosekunder gammal konspiration mellan enheterna och lasern. idén att fotoner inte visar sina "sanna färger" när de detekteras skulle störta all observationsastronomi och grundläggande elektromagnetism."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.