A modern fizikusok számára továbbra is a kvantum összefonódása az egyik legnagyobb kihívást jelentő kutatási terület. Einstein „kísérteties távoli cselekedetnek” nevezte, a tudósok régóta igyekeztek összeegyeztetni, hogy a kvantummechanika ezen aspektusa miként létezhet együtt a klasszikus mechanikával. Alapvetően az a tény, hogy két részecske nagy távolságra kapcsolható össze, megsérti a lokalitás és a realizmus szabályait.
Formálisan ez a Bell inaktivitásának megsértése, ezt az elméletet évtizedek óta használják annak bizonyítására, hogy a lokalitás és a realizmus érvényesek annak ellenére, hogy nem egyeztethetők össze a kvantummechanikával. Egy nemrégiben elvégzett tanulmányban azonban a Ludwig-Maximilian Egyetem (LMU) és a müncheni Max Planck Kvantumoptikai Intézet kutatócsoportja olyan teszteket végzett, amelyek ismét megsértik a Bell egyenlőtlenségét és bizonyítják az összefonódást.
Az „Eseménykész harangteszt összefonódott atomok egyidejű záródás-észlelési és helyhelyi kiskapuk felhasználásával” című tanulmányát nemrégiben tették közzé a Fizikai áttekintő levelek. Wenjamin Rosenfeld, az LMU és a Max Planck Kvantumoptikai Intézet fizikusának vezetésével a csapat két részecske távoli elvarcolásával próbálta kipróbálni Bell egyenlőtlenségét.
Bell egyenlőtlensége (amelyet 1964-ben javasolták az ír fizikus, John Bell alapján, aki 1964-ben javasolta) lényegében azt állítja, hogy a tárgyak tulajdonságai léteznek függetlenül a megfigyeléstől (realizmus), és egyetlen információ vagy fizikai befolyás sem terjedhet gyorsabban, mint a fénysebesség (helység). Ezek a szabályok tökéletesen leírják azt a valóságot, amelyet az emberek naponta tapasztalnak, ahol a dolgok egy adott térben és időben gyökereződnek, és megfigyelőtől függetlenül léteznek.
Kvantumszinten azonban úgy tűnik, hogy a dolgok nem követik ezeket a szabályokat. A részecskék nemcsak nem lokális módon, nagy távolságokon keresztül kapcsolhatók össze (azaz összefonódnak), hanem ezen részecskék tulajdonságait nem lehet meghatározni, amíg meg nem mérik. És bár az összes kísérlet megerősítette, hogy a kvantummechanika előrejelzései helyesek, egyes tudósok továbbra is azt állították, hogy vannak olyan kiskapuk, amelyek lehetővé teszik a helyi realizmust.
Ennek megoldására a müncheni csapat kísérletet végzett az LMU két laboratóriumával. Míg az első laboratórium a fizikai osztály alagsorában volt, a második a közgazdasági osztály alagsorában volt, körülbelül 400 méterre. Mindkét laboratóriumban a csapatok egyetlen rubidium atomot rögzítettek egy aktuális csapdába, majd izgalmasan kezdték el őket, amíg egyetlen fotont nem engedtek ki.
Ahogyan Dr. Wenjamin Rosenfeld egy Max Planck Intézet sajtóközleményében kifejtette:
„Két megfigyelő állomásunkat függetlenül üzemeltetjük, és saját lézer- és vezérlőrendszerükkel van felszerelve. A laboratóriumok közötti 400 méteres távolság miatt az egymás közötti kommunikáció 1328 nanosekundumot igényel, ami sokkal több, mint a mérési folyamat időtartama. Tehát az egyik laboratóriumban végzett mérésekre vonatkozó információ nem használható fel a másik laboratóriumban. Így zárjuk le a telephely kiskapuját. ”
Miután a két rubídium atom foton felszabadulásáig gerjesztett volt, a rubidium atomok spin-állapota és a fotonok polarizációs állapota ténylegesen összefonódott. A fotonokat ezután optikai szálakba kapcsolják, és egy összeállításba vezetik, ahol interferenciára kerülnek. A nyolc napon át tartó mérési futtatás után a tudósok körülbelül 10 000 eseményt tudtak összegyűjteni, hogy ellenőrizzék a jelek beragadását.
Ezt a két csapdába esett rubídium atom spinjei jelezték, amelyek ugyanabba az irányba mutatnak (vagy ellentétes irányba mutatnak, az összefonódás jellegétől függően). A müncheni csapat azt találta, hogy az események túlnyomó részében az atomok azonos állapotban voltak (vagy ellentétes állapotban vannak), és csak hat eltérés volt a Bell egyenlőtlenségével összhangban.
Ezek az eredmények statisztikailag is jelentősebbek voltak, mint a holland fizikusok csoportjának 2015-ben kapott eredményei. Ennek a tanulmánynak a céljából a holland csapat 1,3 km távolságban lévő laboratóriumokban elektronokkal végzett kísérleteket végzett gyémántokban. Végül eredményeik (és a Bell's egyenlőtlenséggel kapcsolatos legújabb tesztek) azt mutatták, hogy a kvantum-összefonódás valódi, hatékonyan lezárva a helyi realizmus kiskapuját.
Mint Wenjamin Rosenfeld kifejtette, csapata által elvégzett tesztek túlmutattak ezen egyéb kísérleteken is, amikor egy másik fő kérdéssel foglalkoztak. "Nagyon gyorsan és nagyon hatékonyan tudtuk meghatározni az atomok spin-állapotát" - mondta. „Ezzel bezártuk a második potenciális kiskaput: azt a feltételezést, hogy a megfigyelt jogsértést a kimutatott atompárok hiányos mintája okozza”.
Bizonyítékot szerezve a Bell egyenlőtlenségének megsértésére, a tudósok nemcsak segítenek megoldani a klasszikus és kvantumfizika közötti tartós inkonrugenciát. Ugyanakkor izgalmas lehetőségek előtt nyitják meg az ajtót. Például évek óta a tudós előre számította a kvantumprocesszorok fejlesztését, amelyek összefonódásokra támaszkodnak a nullák és a bináris kódok szimulálására.
A kvantummechanikára támaszkodó számítógépek exponenciálisan gyorsabbak lennének, mint a hagyományos mikroprocesszorok, és bevezetnék a kutatás és fejlesztés új korszakát. Ugyanezeket az elveket javasolták a kiberbiztonságra is, ahol a kvantum-titkosítást használnák az információ titkosításához, sérthetetlenné téve azokat a hackereket, akik a hagyományos számítógépekre támaszkodnak.
Végül, de nem utolsósorban, létezik a Quantum Entanglement Communications koncepció, egy olyan módszer, amely lehetővé tenné számunkra, hogy az információ továbbítása a fénysebességnél gyorsabb legyen. Képzelje el az űrutazás és a felfedezés lehetőségeit, ha már nem vagyunk kötve a relativista kommunikáció határain!
Einstein nem tévedett, amikor a kvantumbeilleszkedéseket „kísérteties cselekvésnek” nevezi. Valójában ennek a jelenségnek a legtöbb következménye még mindig olyan félelmetes, mint a fizikusokat lenyűgöző. De minél közelebb kerülünk a megértéshez, annál közelebb kerülünk annak megértéséhez, hogy az Univerzum minden ismert fizikai erő összeférhessen - más néven. minden elmélete!
