Ейнштейн помилявся. Група фізиків зі Швейцарії провела революційний експеримент із квантовою заплутаністю

Квантова заплутаність реальна — невже Ейнштейн і справді помилявся?

Останніми роками було проведено чимало експериментів, які показували, що квантова заплутаність справді можлива і що дві заплутані частинки можуть бути пов’язані на відстані.

Новий експеримент ще раз підтверджує це, причому в такий спосіб, якого ми раніше не бачили.

Результати дослідження було опубліковано в журналі Nature.

Група швейцарських фізиків використовувала 30-метрову трубу, охолоджену до температури, близької до абсолютного нуля, щоб провести тест Белла: випадкове вимірювання двох заплутаних частинок (квантових бітів) одночасно.

Тест Белла ґрунтується на математичній нерівності, якщо вона буде порушена, отже, квантова теорія дійсно працює.

Щоб усунути всі потенційні лазівки в тесті Белла, вимірювання мають проводитися за менший час, ніж потрібно світлу, щоб пройти від одного кінця до іншого, що доводить відсутність обміну інформацією між ними.

За таких умов світлу знадобилося 110 наносекунд, щоб пройти по трубці, а вимірювання були проведені всього за кілька наносекунд. Дослідники використовували мікрохвильові фотони для створення заплутаності, і понад мільйон вимірювань було оцінено, щоб показати порушення нерівності Белла.

Це найдовший поділ між двома заплутаними надпровідними кубітами і показує перспективність технології кубітів. Та ж технологія, продемонстрована тут, в кінцевому підсумку може знайти свій шлях у повномасштабних квантових комп’ютерах.

У цьому експерименті тест Белла не тільки проводять на більших відстанях, ніж це було раніше, а й із використанням надпровідних ланцюгів, які, як очікують, зіграють важливу роль у розробленні квантових комп’ютерів.

Завдяки тому, що структура експерименту охоплює сотні електронних схем, розміри яких вимірюються в мікрометрах, його модифіковану версію можна використати кількома способами.

«За допомогою нашого підходу ми можемо набагато ефективніше, ніж в інших експериментах, довести, що нерівність Белла порушена», — каже квантовий фізик Саймон Шторц з інституту ETH Zurich у Швейцарії.

За словами Шторца, ця методика може стати базою для застосування квантової заплутаності в практичних застосунках.

Ці практичні застосунки можуть включати, наприклад, безпечні зашифровані комунікації.

Незважаючи на труднощі, пов’язані з будівництвом і точним налаштуванням обладнання, дослідники впевнені, що її можна адаптувати для роботи і в більших масштабах, розширюючи межі того, що ми знаємо про квантову механіку.

«У нашій машині 1,3 т міді і 14 000 гвинтів, а також величезна кількість знань з фізики та інженерних ноу-хау», — каже квантовий фізик Андреас Вальрафф з ETH Zurich.

Чому Ейнштейн сумнівався у квантовій заплутаності?

Один із найвидатніших фізиків усіх часів і народів Альберт Ейнштейн не «дружив» із концепцією квантової заплутаності.

Це поняття, часто зване «моторошною дією на відстані», викликало в нього глибоку тривогу.

У 1935 році Ейнштейн, Борис Подольський і Натан Розен написали статтю, метою якої було продемонструвати, що квантова механіка в її нинішньому вигляді є неповною.

Вони припустили, що якщо теорія передбачає такі дивні кореляції, то мають існувати якісь невраховані «приховані змінні».

Опір Ейнштейна квантовій заплутаності був заснований на його вірі в «локальний реалізм», який стверджує, що на об'єкт може впливати тільки його безпосереднє оточення і що він повинен мати певні властивості незалежно від того, вимірюємо ми їх чи ні.

Квантова заплутаність порушує цей принцип, оскільки зміни в одній частці миттєво впливають на іншу, незалежно від того, наскільки далеко вони розташовані одна від одної.

Саме цей момент бентежив Ейнштейна.

У 1960-х роках фізик Джон Белл сформулював «теорему Белла» і вивів «нерівності Белла», які дали змогу перевірити ідею локальних прихованих змінних.

Експерименти, що перевіряють нерівності Белла, загалом показали результати, які узгоджуються з квантовою механікою і суперечать локальному реалізму Ейнштейна, показуючи, що якщо такі локальні приховані змінні існують, то вони повинні діяти дуже неінтуїтивним чином.

Однак ці експерименти мають різні «лазівки», а ідеальні експерименти практично неможливо провести, тому, хоча отримані результати наводять на серйозні роздуми, вони не є остаточними.