De voorspellingen van de kwantummechanica zijn soms moeilijk te relateren aan ideeën over de klassieke wereld. Hoewel de positie en het momentum van een klassiek deeltje gelijktijdig kunnen worden gemeten, kun je in het kwantumgeval alleen de kans kennen om een deeltje in een of andere toestand te vinden. Bovendien stelt de kwantumtheorie dat wanneer twee systemen verstrengeld zijn, het meten van de toestand van een van hen onmiddellijk invloed heeft op de andere. In 2015 hebben drie groepen natuurkundigen aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het begrijpen van de aard van kwantumverstrengeling en teleportatie. Physics Today en Lenta.ru praten over de prestaties van wetenschappers.
Albert Einstein was het niet eens met de probabilistische interpretatie van de kwantummechanica. In dit verband zei hij dat "God niet dobbelt" (waarop de Deense natuurkundige Niels Bohr later antwoordde dat het niet aan Einstein was om te beslissen wat hij met God zou doen). De Duitse wetenschapper accepteerde de onzekerheid die inherent was aan de microwereld niet en beschouwde het klassieke determinisme als correct. De maker van de algemene relativiteitstheorie geloofde dat de kwantummechanica bij het beschrijven van de microwereld geen rekening houdt met enkele verborgen variabelen, zonder welke de kwantumtheorie zelf onvolledig is. De wetenschapper stelde voor om naar verborgen parameters te zoeken bij het meten van een kwantumtoestand met een klassiek apparaat: dit proces omvat een verandering van de eerste door de tweede, en Einstein vond het mogelijk om te experimenteren waar zo'n verandering niet is.
Sindsdien hebben wetenschappers geprobeerd te bepalen of er verborgen variabelen bestaan in de kwantummechanica of dat het een uitvinding van Einstein was. Het probleem van verborgen variabelen werd in 1964 geformaliseerd door de Britse theoretisch natuurkundige John Bell. Hij stelde het idee voor van een experiment waarin de aanwezigheid van een verborgen parameter in het systeem kan worden achterhaald door een statistische analyse uit te voeren van een reeks speciale experimenten. Het experiment was zo. Een atoom werd in een extern veld geplaatst en zond tegelijkertijd een paar fotonen uit, die in tegengestelde richtingen verstrooid werden. De taak van de onderzoekers is om meerdere metingen uit te voeren van de richting van de foton-spins.
Dit zou het mogelijk maken om de nodige statistieken te verzamelen en, met behulp van Bell's ongelijkheden, die een wiskundige beschrijving zijn van de aanwezigheid van verborgen parameters in de kwantummechanica, het standpunt van Einstein te controleren. De grootste moeilijkheid lag in de praktische uitvoering van het experiment, dat latere natuurkundigen wisten te reproduceren. De onderzoekers hebben aangetoond dat er in de kwantummechanica hoogstwaarschijnlijk geen verborgen parameters zijn. In de tussentijd waren er in theorie twee mazen in de wet (locatie en detectie) die konden bewijzen dat Einstein gelijk had. Over het algemeen zijn er meer mazen in de wet. De experimenten van 2015 sloten ze af en bevestigden dat er hoogstwaarschijnlijk geen lokaal realisme is in de microkosmos.
"Griezelige actie" tussen Bob en Alice
Afbeelding: JPL-Caltech / NASA
We hebben het over de experimenten van drie groepen natuurkundigen: van de Technische Universiteit Delft in Nederland, het National Institute of Standards and Technology in de VS en de Universiteit van Wenen in Oostenrijk. Experimenten van wetenschappers bevestigden niet alleen de volledigheid van de kwantummechanica en de afwezigheid van verborgen parameters erin, maar boden ook nieuwe mogelijkheden voor kwantumcryptografie - een methode om informatie te versleutelen (te beschermen) met behulp van kwantumverstrengeling met behulp van kwantumprotocollen - en leidden tot de creatie van onbreekbare algoritmen voor het genereren van willekeurige nummers.
Promotie video:
Kwantumverstrengeling is een fenomeen waarbij de kwantumtoestanden van deeltjes (bijvoorbeeld de spin van een elektron of de polarisatie van een foton), op een afstand van elkaar gescheiden, niet onafhankelijk kunnen worden beschreven. De procedure voor het meten van de toestand van het ene deeltje leidt tot een verandering in de toestand van een ander. In een typisch experiment met kwantumverstrengeling bezitten op afstand van elkaar reagerende agentia - Alice en Bob - elk één deeltje (fotonen of elektronen) uit een paar verstrengelde deeltjes. Meting van een deeltje door een van de agenten, bijvoorbeeld Alice, correleert met de toestand van de ander, hoewel Alice en Bob van tevoren niet op de hoogte zijn van elkaars manipulaties.
Dit betekent dat de deeltjes op de een of andere manier informatie over elkaar opslaan en deze niet, bijvoorbeeld met lichtsnelheid, uitwisselen met behulp van een fundamentele interactie die de wetenschap kent. Albert Einstein noemde het "spookachtige actie op afstand". Verstrengelde deeltjes schenden het principe van lokaliteit, volgens welke de toestand van een object alleen kan worden beïnvloed door zijn onmiddellijke omgeving. Deze tegenstrijdigheid houdt verband met de Einstein-Podolsky-Rosen-paradox (die de bovengenoemde onvolledigheid van de kwantummechanica en de aanwezigheid van verborgen parameters suggereert) en vormt een van de belangrijkste conceptuele moeilijkheden (die echter niet langer als een paradox wordt beschouwd) van de kwantummechanica (althans in zijn Kopenhagen-interpretatie).
Schema van het experiment van de Nederlandse wetenschappers
Foto: arXiv.org
Voorstanders van lokaal realisme beweren dat alleen lokale variabelen deeltjes kunnen beïnvloeden, en de correlatie tussen de deeltjes van Alice en Bob wordt uitgevoerd met behulp van een verborgen methode die wetenschappers nog steeds niet kennen. De taak van wetenschappers was om deze mogelijkheid experimenteel te weerleggen, in het bijzonder om de verspreiding van een verborgen signaal van het ene middel naar het andere te voorkomen (ervan uitgaande dat het beweegt met de snelheid van het licht in een vacuüm - het maximaal mogelijke in de natuur), en zo te laten zien dat er een verandering in de kwantumtoestand van het tweede deeltje heeft plaatsgevonden. voordat het latente signaal van het eerste deeltje het tweede kon bereiken.
In de praktijk betekent dit dat Bob en Alice op behoorlijke afstand van elkaar moeten worden geplaatst (minimaal tientallen meters). Dit voorkomt de verspreiding van enig signaal over een verandering in de toestand van een van de deeltjes voordat de toestand van de andere wordt gemeten (locatiegeval). Ondertussen laat de imperfectie van het detecteren van de kwantumtoestand van afzonderlijke deeltjes (vooral fotonen) ruimte voor een bemonstering (of detectie) maas in de wet. Voor het eerst konden natuurkundigen van de TU Delft twee moeilijkheden tegelijk vermijden.
In het experiment hebben we een paar diamantdetectoren gebruikt met een signaalscheider ertussen. Wetenschappers namen een paar niet-verstrengelde fotonen en verspreidden ze over verschillende ruimtes. Vervolgens werd elk van de elektronen verstrengeld met een paar fotonen, die vervolgens naar de derde ruimte werden verplaatst. Tijdens experimenten kon worden vastgesteld dat een verandering in de toestand (spin) van een van de elektronen de andere beïnvloedde. In slechts 220 uur (meer dan 18 dagen) hebben natuurkundigen de ongelijkheid van Bell 245 keer getest. De waargenomen hoeveelheden elektronen zijn gemeten met laserstralen.
In het experiment was het mogelijk om de kwantumtoestanden te meten van deeltjes gescheiden door een afstand van ongeveer 1,3 kilometer en om de geldigheid van Bell's ongelijkheid aan te tonen (dat wil zeggen, de geldigheid van de kwantumtheorie en de misvatting van het concept van lokaal realisme). De resultaten van deze studie zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature. De auteurs zullen naar verwachting een Nobelprijs voor natuurkunde krijgen.
Positie van de detectoren in het Nederlandse experiment
Foto: arXiv.org
Teams uit de Verenigde Staten en Oostenrijk hebben geëxperimenteerd met fotonen. Zo konden wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology het record breken voor de afstand van kwantumteleportatie (transmissie van de kwantumtoestand van een systeem over een afstand) over een glasvezelkabel, en dit op een afstand van 102 kilometer. Hiervoor gebruikten de wetenschappers vier enkelfotondetectoren die in hetzelfde instituut waren gemaakt op basis van supergeleidende nanodraden (gekoeld tot min 272 graden Celsius) van kiezelhoudend molybdeen. Slechts één procent van de fotonen legde een afstand van 102 kilometer af. Het vorige record voor de afstand van kwantumteleportatie via glasvezel was 25 kilometer (ter vergelijking: het record voor de afstand van kwantumteleportatie via de lucht was 144 kilometer).
Oostenrijkse wetenschappers gebruikten efficiëntere sensoren dan Amerikaanse, maar de temporele resolutie in de experimenten van natuurkundigen uit de VS is veel hoger. In tegenstelling tot Nederlandse natuurkundigen, wier opstelling ongeveer één gebeurtenis per uur registreerde, konden wetenschappers uit de Verenigde Staten en Oostenrijk meer dan duizend tests per seconde uitvoeren, waardoor elke toevallige correlatie in de experimentele resultaten vrijwel uitgesloten is.
Wetenschappers proberen momenteel de efficiëntie van experimenten te verbeteren - ze vervoeren deeltjes naar steeds grotere afstanden en verhogen de meetfrequentie. Helaas leidt het verlengen van het optische kanaal tot een verlies van de fractie gedetecteerde deeltjes en realiseert het opnieuw het gevaar van een detectiemis. Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology proberen dit tegen te gaan door in experimenten een quantum random number generator te gebruiken. In dit geval is het niet nodig om fotonen over lange afstanden te vervoeren, en de gecreëerde technologie zal nuttig zijn bij kwantumcryptografie.
Andrey Borisov
