I en ny studie, forskare visar kreativ taktik för att bli av med kryphål som länge har förvirrat tester av kvantmekanik. Med sin innovativa metod, forskarna kunde påvisa kvantinteraktioner mellan två partiklar placerade mer än 180 meter (590 fot) från varandra samtidigt som de eliminerade möjligheten att delade händelser under de senaste 11 åren påverkade deras interaktion.

Ett dokument som förklarar dessa resultat kommer att presenteras vid konferensen Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), hölls 15–19 september i Washington, D.C., U.S.A.

Kvantfenomen utforskas för tillämpningar inom datorer, kryptering, avkänning och mer, men forskarna förstår ännu inte helt fysiken bakom dem. Det nya arbetet kan hjälpa till att främja kvanttillämpningar genom att förbättra tekniker för att undersöka kvantmekanik.

Ett test för kvantteorier

Fysiker har länge brottats med olika idéer om de krafter som styr vår värld. Medan teorier om kvantmekanik gradvis har gått om den klassiska mekaniken, många aspekter av kvantmekaniken förblir mystiska. På 1960-talet fysikern John Bell föreslog ett sätt att testa kvantmekaniken som kallas Bells ojämlikhet.

Tanken är att två parter, smeknamnet Alice och Bob, göra mätningar på partiklar som är belägna långt ifrån varandra men kopplade till varandra via kvantintrassling.

Om världen verkligen styrdes enbart av kvantmekanik, dessa avlägsna partiklar skulle styras av en icke-lokal korrelation genom kvantinteraktioner, så att mätning av tillståndet för en partikel påverkar tillståndet för den andra. Dock, vissa alternativa teorier tyder på att partiklarna bara verkar påverka varandra, men att de i verkligheten är förbundna med andra dolda variabler efter klassiska, snarare än kvant, fysik.

Forskare har genomfört många experiment för att testa Bells ojämlikhet. Dock, experiment kan inte alltid vara perfekta, och det finns kända kryphål som kan orsaka missvisande resultat. Medan de flesta experiment har starkt stöd för slutsatsen att kvantinteraktioner existerar, dessa kryphål lämnar fortfarande en avlägsen möjlighet att forskare kan oavsiktligt påverka dolda variabler, lämnar därför utrymme för tvivel.

Täppa kryphål

I den nya studien, Li och hans kollegor visar sätt att stänga dessa kryphål och lägga till bevisen att kvantmekaniken styr interaktionen mellan de två partiklarna.

"Vi realiserade ett kryphålsfritt Bell-test med mätinställningarna bestämda av avlägsna kosmiska fotoner. På så sätt verifierade vi fullständigheten av kvantmekaniken med hög tillförlitlig sannolikhet, " sa Ming-Han Li vid University of Science and Technology i Kina, som är huvudförfattare på tidningen.

Deras experimentella uppställning innehåller tre huvudkomponenter:en enhet som regelbundet skickar ut par av intrasslade fotoner och två stationer som mäter fotonerna. Dessa stationer är Alice och Bob, i språkbruk Bells ojämlikhet. Den första mätstationen är 93 meter (305 fot) från fotonparkällan och den andra stationen är 90 meter (295 fot) bort i motsatt riktning.

De intrasslade fotonerna färdas genom optisk enkelmodsfiber till mätstationerna, där deras polarisationstillstånd mäts med en Pockels-cell och fotonerna detekteras av supraledande nanotrådsdetektorer med enkelfoton.

När de utformade sitt experiment, forskarna försökte övervinna tre nyckelproblem:tanken att förlust och brus gör detektion opålitlig (detektionskryphålet), tanken att all kommunikation som påverkar Alices och Bobs mätningsval gör mätningen fuskbar (lokal kryphålet), och tanken att ett val av mätinställning som inte är "verkligen fritt och slumpmässigt" gör att resultatet kan kontrolleras av en dold orsak i det gemensamma förflutna (valfrihetskryphålet).

För att lösa det första problemet, Li och hans kollegor visade att deras installation uppnådde en tillräckligt låg nivå av förlust och brus genom att jämföra mätningar som gjordes i början och slutet av fotonens resa. För att ta upp det andra, de byggde experimentuppställningen med rymdliknande separation mellan händelserna vid val av mätinställning. För att ta upp det tredje, de baserade sina val av mätinställningar på kosmiskt fotonbeteende från 11 år tidigare, vilket ger hög förtroende för att ingenting i partiklarnas gemensamma förflutna - under åtminstone de senaste 11 åren - skapade en dold variabel som påverkade resultatet.

Genom att kombinera teoretiskt beräknade förutsägelser med experimentella resultat, forskarna kunde påvisa kvantinteraktioner mellan de intrasslade fotonparen med en hög grad av tillförsikt och trohet. Deras experiment ger därför robusta bevis för att kvanteffekter, snarare än dolda variabler, ligger bakom partiklarnas beteende.