(Phys.org) - Fysiker har rapporterat några av de starkaste bevisen ännu för att kvantvärlden inte lyder lokal realism genom att demonstrera nya bevis för förekomsten av kvantinvikling. Genom att utföra ett i princip kryphålsfritt Bell-test, de har visat att två atomer separerade med ett avstånd på en kvarts mil delar korrelationer som borde vara omöjliga under hypotesen om lokal realism, och förklaras troligen med kvantinvikling.

Det nya Bell -testet utfördes av en grupp forskare under ledning av Harald Weinfurter vid Ludwig Maximilian University i München och Max Planck Institute for Quantum Optics, båda i Tyskland.

Sannolikheten för att de observerade korrelationerna kan förklaras av lokal realism på grund av några okända "dolda variabler" snarare än intrassling är mindre än en av en miljard, skriver fysikerna i sin artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev . Genom att redovisa alla deras ackumulerade data, tagit under sju månader, att sannolikheten sjunker ännu mer, ner till ungefär en av tio kvadriljoner (siffran 1 följt av 16 nollor). Detta innebär att kvantvärlden kränker antingen lokalitet (att avlägsna objekt inte kan påverka varandra på mindre än en viss tid) eller realism (att objekt finns om någon mäter dem eller inte), eller möjligen båda.

Tre Bell -tester

Testet som rapporteras här är det senaste kryphålsfria Bell-testet:ett som samtidigt stänger de två största kryphålen, lokalitets -kryphålet och detekterings -kryphålet. Att stänga båda kryphål är avgörande för att utesluta eventuella alternativa förklaringar, såsom möjligheten att två intrasslade objekt i hemlighet delar information (lokalt kryphål) eller att partiklarna som detekteras inte är representativa för hela provet utan snarare bildar en speciell delmängd som snedvrider data (detekteringshål).

Det första kryphålsfria Bell-testet, rapporterade 2015 av ett team under ledning av Ronald Hanson vid University of Delft, visat sammanfiltring mellan elektronspinn i kvävevakans (NV) -centra i diamant. Kort efter, andra kryphålsfria Bell-tester rapporterade intrassling mellan fotoner. Bell -testet som rapporteras här visar intrassling mellan en tredje typ av system:spin -tillstånden för atomer.

"Enligt min åsikt, den största betydelsen av detta arbete är det definitiva uteslutandet av lokal realism, "medförfattare Wenjamin Rosenfeld, vid Ludwig Maximilian University of Munich och Max Planck Institute for Quantum Optics, berättade Phys.org . "Det är bra att liknande experiment utfördes med olika system (fotoner, NV -center) i huvudsak samtidigt, så alla resultat tillsammans kan ses som verkligt avgörande. Nu är det inte längre en trosfråga om naturen kan eller inte kan beskrivas på ett lokalt realistiskt sätt, men en sakfråga. (Dock, valfrihetsproblemet måste fortfarande lösas.) "

Experimentuppställning

Det nya experimentet innebar att fånga en rubidiumatom i källaren i fysikbyggnaden vid Ludwig Maximilian University i München och fånga en andra rubidiumatom i källaren i ekonomibyggnaden, cirka 400 meter bort. En optisk fiber kopplade de två mätställena.

I deras tester, forskarna upphetsade atomerna, får dem att avge fotoner vid exakt definierade tider. Fotonerna reste sedan genom den optiska fibern och störde varandra. Denna kvantstörning, i teorin, gör att atomerna trasslar in sig. För att upptäcka denna intrassling, forskarna utförde mätningar på fotonerna, upprepa mätningarna om och om igen för tiotusentals fotonpar. Resultaten visade överväldigande att de avlägsna fotonparen verkligen var intrasslade.

Sista kryphålet

En av de sista möjliga kryphålen för de flesta Bell -test gäller valet av mätning som görs på atomerna. Eftersom dessa mätningar kan utföras på flera sätt, det är viktigt att bekräfta att experimenteraren är fri att välja vilken särskild mätning som ska göras, och att dolda variabler inte påverkar valet av mätning och på något sätt låter atomerna synkronisera sina egenskaper. Denna möjlighet kallas kryphål med fri vilja eller valfrihet.

För att försöka stänga detta kryphål, forskarna använde en höghastighets kvantumslumpgenerator som väljer mätinställningar som verkligen är slumpmässiga-nästan. Problemet är att det finns en mycket liten möjlighet att slumptalsgeneratorerna kunde ha kommunicerat med varandra eller resten av experimentet innan experimentet började. Detta kan tillåta atomerna att veta slumpmässiga tal, och följaktligen de mätningar som ska utföras, i förväg, så att de kan synkronisera sina egenskaper.

Fysikerna förklarar att det enda sättet att helt stänga detta kryphål är att använda en utomjordisk slumptalsgenerator, till exempel det naturligt slumpmässiga fotonemissionen från stjärnor som ligger miljontals ljusår bort. Det stora avståndet mellan stjärnorna och ett jordbaserat experiment skulle göra det praktiskt taget omöjligt för någon hemlig kommunikation att ske, eftersom det skulle innebära att sådan kommunikation skulle behöva äga rum innan ljuset lämnade stjärnorna, miljoner år sedan. Flera fysiklaboratorier utvecklar för närvarande utomjordiska slumptalsgeneratorer för detta ändamål.

Säker kommunikation

Eftersom kvantinvikling sannolikt kommer att vara en viktig resurs i framtida säker kvantteknik, att stänga dessa kryphål hjälper till att öka säkerheten för framtida applikationer på den mest grundläggande nivån. Forskarna förväntar sig att de metoder som används i denna studie också kommer att bidra till ny utveckling inom kvantinformationssystem och kvantrepetatornätverk, som används för att kommunicera kvantinformation över långa avstånd. De planerar att undersöka denna ansökan ytterligare i framtiden.

"Bortsett från ytterligare grundläggande frågor med tanke på valfriheten problematisk, det finns mycket man kan arbeta med här, "Rosenfeld sa." På ena sidan kan man försöka driva systemet ytterligare (särskilt trovärdigheten i det intrasslade tillståndet) för att kunna utföra så kallade "enhetsoberoende" protokoll. Dessa skulle göra det möjligt att få en säker kryptografisk nyckel även från enheter som potentiellt inte är betrodda (tillhandahålls av en tredje part). Här, Bells ojämlikhet ger möjlighet att testa, om enheterna på något sätt var förberedda i förväg för att producera en nyckel som är känd för en motståndare. Dessutom, teknikerna för att generera intrassling mellan avlägsna objekt är viktiga för kvantnätverk som möjliggör säker kommunikation över långa avstånd. "

© 2017 Phys.org