På 1930-talet när forskare, inklusive Albert Einstein och Erwin Schrödinger, först upptäckte fenomenet intrassling, blev de förbryllade. Förtrassling, störande nog, krävde att två separerade partiklar förblev anslutna utan att vara i direkt kontakt. Einstein kallade förveckling "spöklik handling på avstånd", eftersom partiklarna verkade kommunicera snabbare än ljusets hastighet.

För att förklara de bisarra implikationerna av intrassling, argumenterade Einstein, tillsammans med Boris Podolsky och Nathan Rosen (EPR), att "dolda variabler" borde läggas till kvantmekaniken för att förklara intrassling och för att återställa "lokalitet" och "kausalitet" till beteendet. av partiklarna. Locality anger att objekt endast påverkas av sin närmaste omgivning. Kausalitet säger att en effekt inte kan inträffa före dess orsak, och att kausal signalering inte kan fortplanta sig snabbare än ljusets hastighet. Niels Bohr bestred välkända EPR:s argument, medan Schrödinger och Wendell Furry, som svar på EPR, oberoende av varandra antog att intrassling försvinner med separation av breda partiklar.

Tyvärr fanns inga experimentella bevis för eller emot kvantintrassling av vitt separerade partiklar då. Experiment har sedan dess visat att intrassling är mycket verklig och grundläggande för naturen. Dessutom har kvantmekaniken nu visat sig fungera, inte bara på mycket korta avstånd utan också på mycket stora avstånd. Kinas kvantkrypterade kommunikationssatellit, Micius, förlitar sig faktiskt på kvantintrassling mellan fotoner som är åtskilda av tusentals kilometer.

Det allra första av dessa experiment föreslogs och utfördes av Caltech-alumnen John Clauser (BS '64) 1969 respektive 1972. Hans fynd är baserade på Bells teorem, utarbetad av CERN-teoretikern John Bell. 1964 bevisade Bell ironiskt nog att EPR:s argument faktiskt ledde till den motsatta slutsatsen från vad EPR ursprungligen hade tänkt visa. Bell visade att kvantintrassling i själva verket är oförenlig med EPR:s begrepp om lokalitet och kausalitet.

1969, medan han fortfarande var doktorand vid Columbia University, omvandlade Clauser, tillsammans med Michael Horne, Abner Shimony och Richard Holt, Bells matematiska sats från 1964 till en mycket specifik experimentell förutsägelse via vad som nu kallas Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) ojämlikhet (Deras artikel har citerats mer än 8 500 gånger på Google Scholar.) 1972, när han var postdoktor vid UC Berkeley och Lawrence Berkeley National Laboratory, var Clauser och doktorand Stuart Freedman de första som bevisade experimentellt att två vitt åtskilda partiklar (cirka 10 fot ifrån varandra) kan intrasslas. Clauser fortsatte med att utföra ytterligare tre experiment för att testa grunderna för kvantmekanik och intrassling, med varje nytt experiment som bekräftade och utökade hans resultat. Freedman-Clauser-experimentet var det första testet av CHSH-ojämlikheten. Det har nu testats experimentellt hundratals gånger på laboratorier runt om i världen för att bekräfta att kvantförsnärjning är verklig.

Clausers arbete gav honom 2010 Wolf Prize i fysik. Han delade det med Alain Aspect vid Institut d' Optique och Ecole Polytechnique och Anton Zeilinger vid Wiens universitet och Österrikiska vetenskapsakademin "för en allt mer sofistikerad serie tester av Bells ojämlikheter, eller förlängningar därav, med hjälp av intrasslade kvanttillstånd, " enligt priset.

Här svarar John Clauser på frågor om sina historiska experiment.

Vi har hört att din idé om att testa principerna för intrassling var föga tilltalande för andra fysiker. Kan du berätta mer om det?

På 1960- och 70-talen var experimentell testning av kvantmekanik impopulär i Caltech, Columbia, UC Berkeley och på andra håll. Min fakultet vid Columbia sa till mig att testning av kvantfysik skulle förstöra min karriär. Medan jag utförde Freedman-Clauser-experimentet 1972 vid UC Berkeley, blev Caltechs Richard Feynman mycket förolämpad av min oförskämda ansträngning och berättade för mig att det var liktydigt med att bekänna en misstro mot kvantfysik. Han insisterade arrogant på att kvantmekaniken uppenbarligen är korrekt och inte behöver testas ytterligare! Mitt mottagande på UC Berkeley var i bästa fall ljummet och var endast möjligt genom vänlighet och tolerans från professorerna Charlie Townes [Ph.D. '39, Nobelpristagare '64] och Howard Shugart [BS '53], som tillät mig att fortsätta mina experiment där.

I min korrespondens med John Bell uttryckte han precis den motsatta känslan och uppmuntrade mig starkt att göra ett experiment. John Bells framstående arbete från 1964 om Bells teorem publicerades ursprungligen i terminalnumret av en obskyr tidskrift, Physics , och i en underjordisk fysiktidning, Epistemological Letters . Det var inte förrän efter 1969 års CHSH-tidning och 1972 års Freedman-Clauser-resultat publicerades i Physical Review Letters att John Bell äntligen öppet diskuterade sitt arbete. Han var medveten om tabut att ifrågasätta kvantmekanikens grunder och hade aldrig diskuterat det med sina CERN-kollegor.

Vad fick dig att vilja fortsätta med experimenten egentligen?

En del av anledningen till att jag ville testa idéerna var för att jag fortfarande försökte förstå dem. Jag tyckte att förutsägelserna för förveckling var tillräckligt bisarra att jag inte kunde acceptera dem utan att se experimentella bevis. Jag insåg också experimentens grundläggande betydelse och ignorerade helt enkelt min fakultets karriärråd. Dessutom hade jag väldigt roligt med att göra mycket utmanande experimentell fysik med apparater som jag byggde mestadels med överblivet material från fysikavdelningen. Innan Stu Freedman och jag gjorde det första experimentet tänkte jag personligen också att Einsteins fysik med dolda variabler faktiskt kan vara rätt, och om den är det, då ville jag upptäcka den. Jag tyckte att Einsteins idéer var väldigt tydliga. Jag tyckte att Bohr var ganska lerig och svår att förstå.

Vad förväntade du dig att hitta när du gjorde experimenten?

I sanning visste jag verkligen inte vad jag skulle förvänta mig förutom att jag äntligen skulle avgöra vem som hade rätt – Bohr eller Einstein. Jag satsade visserligen till Einsteins fördel men visste faktiskt inte vem som skulle vinna. Det är som att gå till racerbanan. Man kanske hoppas att en viss häst vinner, men man vet inte riktigt förrän resultaten är klara. I det här fallet visade det sig att Einstein hade fel. I traditionen från Caltechs Richard Feynman och Kip Thorne [BS '62], som skulle placera vetenskapliga vad, hade jag en vadslagning med kvantfysikern Yakir Aharonov om resultatet av Freedman-Clauser-experimentet. Märkligt nog satte han bara upp en dollar till mina två. Jag förlorade vadet och bifogade en sedel på två dollar och grattis när jag skickade ett förtryck till honom med våra resultat.

Jag blev väldigt ledsen över att se att mitt eget experiment hade visat att Einstein hade fel. Men experimentet gav ett 6,3-sigma-resultat mot honom [ett fem-sigma-resultat eller högre anses vara guldstandarden för betydelse i fysik]. Men så fick Dick Holt och Frank Pipkins konkurrerande experiment vid Harvard (aldrig publicerad) motsatt resultat. Jag undrade om jag kanske hade förbisett någon viktig detalj. Jag fortsatte ensam på UC Berkeley för att utföra ytterligare tre experimentella tester av kvantmekanik. Alla gav samma slutsatser. Bohr hade rätt och Einstein hade fel. Harvard-resultatet upprepades inte och var felaktigt. När jag återknöt kontakten med min fakultet i Columbia sa de alla, "Vi sa det till dig! Sluta nu att slösa pengar och gå och gör lite riktig fysik." Vid den tidpunkten i min karriär var det enda värdet i mitt arbete att det visade att jag var en ganska begåvad experimentell fysiker. Bara det faktum gav mig ett jobb på Lawrence Livermore National Lab med kontrollerad fusionsplasmafysikforskning.

Kan du hjälpa oss att förstå exakt vad dina experiment visade?

För att klargöra vad experimenten visade, formulerade Mike Horne och jag vad som nu kallas Clauser-Horne Local Realism [1974]. Ytterligare bidrag till det erbjöds senare av John Bell och Abner Shimony, så det kanske mer korrekt kallas Bell–Clauser–Horne–Shimony Local Realism. Lokal realism var mycket kortlivad som en gångbar teori. Den motbevisades faktiskt experimentellt redan innan den var helt formulerad. Icke desto mindre är lokal realism heuristiskt viktig eftersom den visar i detalj vad kvantmekanik inte är.

Lokal realism antar att naturen består av saker, av objektivt verkliga föremål, dvs. e. saker du kan lägga i en låda. (En ruta här är en imaginär sluten yta som definierar separerade inre och yttre volymer.) Den förutsätter vidare att objekt existerar oavsett om vi observerar dem eller inte. På liknande sätt antas säkra experimentella resultat erhållas, oavsett om vi tittar på dem eller inte. Vi kanske inte vet vad grejerna är, men vi antar att de finns och att de är fördelade över hela rymden. Saker kan utvecklas antingen deterministiskt eller stokastiskt. Lokal realism antar att sakerna i en låda har inneboende egenskaper, och att när någon utför ett experiment i lådan så påverkas sannolikheten för ett resultat som erhålls på något sätt av egenskaperna hos materialet i den lådan. Om man utför säg ett annat experiment med olika experimentella parametrar, så erhålls förmodligen ett annat resultat. Anta nu att en har två vitt åtskilda lådor, som var och en innehåller saker. Local Realism antar vidare att det experimentella parametervalet som görs i en box inte kan påverka det experimentella resultatet i den avlägsna boxen. Lokal realism förbjuder därigenom spöklik action-på-distans. Det upprätthåller Einsteins kausalitet som förbjuder någon sådan icke-lokal orsak och verkan. Överraskande nog är dessa enkla och mycket rimliga antaganden tillräckliga i sig för att tillåta härledning av en andra viktig experimentell förutsägelse som begränsar korrelationen mellan experimentella resultat som erhålls i de separerade rutorna. Den förutsägelsen är 1974 års Clauser-Horne (CH) ojämlikhet.

CHSH-ojämlikhetens härledning från 1969 hade krävt flera mindre kompletterande antaganden, ibland kallade "kryphål". CH-ojämlikhetens härledning eliminerar dessa kompletterande antaganden och är därmed mer generell. Det finns kvantintrasslade system som inte håller med CH-förutsägelsen, varigenom lokal realism är mottaglig för experimentell motbevisning. CHSH- och CH-ojämlikheterna kränks båda, inte bara av det första Freedman-Clauser-experimentet 1972 och mitt andra experiment från 1976 utan nu av bokstavligen hundratals bekräftande oberoende experiment. Olika laboratorier har nu intrasslat och brutit mot CHSH-ojämlikheten med fotonpar, berylliumjonpar, ytterbiumjonpar, rubidiumatompar, hela rubidium-atommolnpar, kvävevakanser i diamanter och Josephsonfasqubits.

Att testa lokal realism och CH-ojämlikheten ansågs av många forskare vara viktigt för att eliminera kryphålen i CHSH. Avsevärda ansträngningar gjordes således, eftersom kvantoptiktekniken förbättrades och tilläts. Att testa CH-ojämlikheten hade blivit en helig graal utmaning för experimentalister. Brott mot CH-ojämlikheten uppnåddes slutligen först 2013 och igen 2015 vid två konkurrerande laboratorier:Anton Zeilingers grupp vid universitetet i Wien och Paul Kwiats grupp vid University of Illinois i Urbana–Champaign. 2015 års experiment involverade 56 forskare! Lokal realism är nu väl vederlagd! Överenskommelsen mellan experimenten och kvantmekaniken bevisar nu bestämt att icke-lokal kvanttrassling är verklig.

Vilka är några av de viktiga tekniska tillämpningarna för ditt arbete?

En tillämpning av mitt arbete är det enklaste möjliga objektet definierat av lokal realism – en enda bit information. Lokal realism visar att en enda kvantmekanisk informationsbit, en "qubit", inte alltid kan lokaliseras i en rum-tid-box. Detta faktum utgör den grundläggande grunden för kvantinformationsteori och kvantkryptografi. Caltechs kvantvetenskap och teknikprogram, 2019 1,28 miljarder US National Quantum Initiative, och 2019 2019 israeliska National Quantum Initiative på 400 miljoner dollar, förlitar sig alla på verkligheten av intrassling. Det kinesiska Micius kvantkrypterade kommunikationsatellitsystemets konfiguration är nästan identisk med den för Freedman-Clauser-experimentet. Den använder CHSH-ojämlikheten för att verifiera förvecklingens beständighet genom yttre rymden. + Utforska vidare

Forskare visade brott mot Bells ojämlikhet på intrasslade fotonpar i frekvensbågen