Förra året, fysiker vid MIT, universitetet i Wien, och på andra håll gav starkt stöd för kvantinvikling, den till synes avlägsna tanken att två partiklar, oavsett hur långt från varandra i rum och tid, kan vara oupplösligt länkade, på ett sätt som trotsar reglerna för klassisk fysik.

Ta, till exempel, två partiklar som sitter på motsatta kanter av universum. Om de verkligen trasslar in sig, enligt teorin om kvantmekanik bör deras fysiska egenskaper vara relaterade på ett sådant sätt att alla mätningar som görs på en partikel omedelbart ska förmedla information om eventuella framtida mätresultat för den andra partikeln - korrelationer som Einstein skeptiskt såg som "spöklik handling vid en distans."

På 1960 -talet, fysikern John Bell beräknade en teoretisk gräns över vilken sådana korrelationer måste ha en kvantitet, snarare än en klassiker, förklaring.

Men tänk om sådana korrelationer inte var ett resultat av kvantinvikling, men av några andra dolda, klassisk förklaring? Sådana "what-ifs" är kända för fysiker som kryphål för tester av Bells ojämlikhet, det mest envisa av detta är "valfrihetens" kryphål:möjligheten att några dolda, klassisk variabel kan påverka mätningen som en experimenter väljer att utföra på en intrasslad partikel, att få resultatet att se kvantkorrelerat ut när det faktiskt inte är det.

Förra februari, MIT-teamet och deras kollegor begränsade avsevärt valfrihetens kryphål, genom att använda 600 år gammalt stjärnljus för att bestämma vilka egenskaper hos två intrasslade fotoner som ska mätas. Deras experiment bevisade att om en klassisk mekanism orsakade korrelationerna de observerade, det måste ha satts i gång för mer än 600 år sedan, innan stjärnornas ljus först avgavs och långt innan själva experimentet ens tänktes.

Nu, i en artikel publicerad idag Fysiska granskningsbrev , samma team har väsentligt utökat fallet för kvantinvikling och ytterligare begränsat alternativen för kryphålen att välja. Forskarna använde avlägsna kvasarer, varav en avgav sitt ljus för 7,8 miljarder år sedan och den andra för 12,2 miljarder år sedan, för att bestämma de mätningar som ska göras på par av intrasslade fotoner. De fann korrelationer bland mer än 30, 000 par fotoner, till en grad som långt överskred gränsen som Bell ursprungligen beräknade för en klassiskt baserad mekanism.

"Om någon konspiration händer för att simulera kvantmekanik med en mekanism som faktiskt är klassisk, den mekanismen skulle behöva börja sin verksamhet - på något sätt veta exakt när, var, och hur detta experiment skulle genomföras - för minst 7,8 miljarder år sedan. Det verkar otroligt osannolikt, så vi har mycket starka bevis på att kvantmekanik är den rätta förklaringen, "säger medförfattaren Alan Guth, Victor F. Weisskopf professor i fysik vid MIT.

"Jorden är cirka 4,5 miljarder år gammal, så någon alternativ mekanism - annorlunda än kvantmekanik - som kan ha gett våra resultat genom att utnyttja detta kryphål skulle ha behövt vara på plats långt innan ens det fanns en planet Jorden, än mindre en MIT, "tillägger David Kaiser, Germeshausen -professor i vetenskapshistoria och professor i fysik vid MIT. "Så vi har drivit alla alternativa förklaringar tillbaka till mycket tidigt i kosmisk historia."

Guth och Kaisers medförfattare inkluderar Anton Zeilinger och medlemmar i hans grupp vid den österrikiska vetenskapsakademien och universitetet i Wien, liksom fysiker vid Harvey Mudd College och University of California i San Diego.

Ett beslut, tjänade miljarder år sedan

Under 2014, Kaiser och två medlemmar i det nuvarande laget, Jason Gallicchio och Andrew Friedman, föreslog ett experiment för att producera intrasslade fotoner på jorden - en process som är ganska standard i studier av kvantmekanik. De planerade att skjuta varje medlem av det intrasslade paret i motsatta riktningar, mot ljusdetektorer som också skulle göra en mätning av varje foton med hjälp av en polarisator. Forskare skulle mäta polarisationen, eller orientering, av varje inkommande foton elektriska fält, genom att ställa in polarisatorn i olika vinklar och observera om fotonerna passerade igenom - ett resultat för varje foton som forskare kunde jämföra för att avgöra om partiklarna visade de känneteckenskorrelationer som förutses av kvantmekanik.

Teamet lade till ett unikt steg i det föreslagna experimentet, som skulle använda ljus från forntiden, avlägsna astronomiska källor, som stjärnor och kvasarer, för att bestämma vinkeln vid vilken respektive polarisator ska ställas in. När varje intrasslad foton var i flygning, på väg mot dess detektor med ljusets hastighet, forskare skulle använda ett teleskop på varje detektorplats för att mäta våglängden för en kvasars inkommande ljus. Om det ljuset var rödare än någon referensvåglängd, polariseraren skulle luta i en viss vinkel för att göra en specifik mätning av den inkommande intrasslade fotonen - ett mätval som bestämdes av kvasaren. Om kvasarens ljus var blåare än referensvåglängden, polariseraren skulle luta i en annan vinkel, utför en annan mätning av den intrasslade foton.

I deras tidigare experiment, laget använde små bakgårdsteleskop för att mäta ljuset från stjärnor så nära som 600 ljusår bort. I deras nya studie, forskarna använde mycket större, kraftfullare teleskop för att fånga det inkommande ljuset från ännu äldre, avlägsna astrofysiska källor:kvasarer vars ljus har färdats mot jorden i minst 7,8 miljarder år - föremål som är otroligt långt borta och ändå är så lysande att deras ljus kan observeras från jorden.

Knepig timing

Den 11 januari 2018, "klockan hade precis tickat efter midnatt lokal tid, "som Kaiser påminner om, när ett tiotal medlemmar i teamet samlades på en bergstopp på Kanarieöarna och började samla in data från två stora, 4 meter breda teleskop:William Herschel-teleskopet och Telescopio Nazionale Galileo, båda belägna på samma berg och åtskilda med cirka en kilometer.

Ett teleskop fokuserade på en viss kvasar, medan det andra teleskopet tittade på en annan kvasar i en annan del av natthimlen. Under tiden, forskare vid en station som ligger mellan de två teleskopen skapade par av intrasslade fotoner och strålade partiklar från varje par i motsatta riktningar mot varje teleskop.

På en bråkdel av en sekund innan varje intrasslad foton når sin detektor, instrumenteringen avgjorde om en enda foton som kom från kvasaren var mer röd eller blå, en mätning som sedan automatiskt justerade vinkeln på en polarisator som slutligen tog emot och detekterade den inkommande intrasslade fotonen.

"Timingen är väldigt knepig, "Kaiser säger." Allt måste hända inom mycket trånga fönster, uppdaterar varje mikrosekund eller så. "

Avmystifierar en hägring

Forskarna körde sitt experiment två gånger, var och en i cirka 15 minuter och med två olika par kvasarer. För varje körning, de mätte 17, 663 och 12, 420 par intrasslade fotoner, respektive. Inom några timmar efter stängning av teleskopkupolerna och genomgång av preliminära data, laget kunde se att det fanns starka samband mellan fotonpar, bortom gränsen som Bell beräknade, vilket indikerar att fotonerna korrelerades på ett kvantmekaniskt sätt.

Guth ledde en mer detaljerad analys för att beräkna chansen, dock liten, att en klassisk mekanism kan ha skapat de korrelationer som teamet observerade.

Han beräknade att för det bästa av de två körningarna, sannolikheten att en mekanism baserad på klassisk fysik kunde ha uppnått den observerade korrelationen var cirka 10 till minus 20 - det vill säga ungefär en del av hundra miljarder miljarder, "vansinnigt liten, "Säger Guth. För jämförelse, forskare har uppskattat sannolikheten för att upptäckten av Higgs -bosonet bara var en chans att bli ungefär en på en miljard.

"Vi gjorde det verkligen otroligt osannolikt att en lokal realistisk teori kan ligga till grund för universums fysik, "Säger Guth.

Och ändå, det finns fortfarande en liten öppning för kryphålet att välja. För att begränsa det ytterligare, laget har underhållande idéer om att se ännu längre tillbaka i tiden, att använda källor som kosmiska mikrovågsbakgrundsfoton som sändes ut som kvarvarande strålning direkt efter Big Bang, även om sådana experiment skulle innebära en mängd nya tekniska utmaningar.

"Det är roligt att tänka på nya typer av experiment vi kan designa i framtiden, men för nu, Vi är mycket glada över att vi kunde ta itu med just detta kryphål så dramatiskt. Vårt experiment med kvasarer sätter extremt snäva begränsningar på olika alternativ till kvantmekanik. Så konstigt som kvantmekanik kan verka, det fortsätter att matcha alla experimentella test vi kan tänka oss, "Säger Kaiser.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.