Verstrengelde kwantumcircuits weerleggen Einsteins concept van lokale causaliteit verder

Een team van onderzoekers onder leiding van Andreas Wallraff, hoogleraar vastestoffysica aan de ETH Zürich, voerde een Bell-test zonder mazen uit om het concept van “lokale causaliteit” te weerleggen, geformuleerd door Albert Einstein als reactie op de kwantummechanica.

Door aan te tonen dat kwantummechanische objecten die ver uit elkaar staan ​​veel sterker met elkaar gecorreleerd kunnen zijn dan in conventionele systemen mogelijk is, zorgden de onderzoekers voor een verdere bevestiging van de kwantummechanica. Bijzonder aan dit experiment is dat de onderzoekers het voor het eerst konden uitvoeren met behulp van supergeleidende circuits, die worden beschouwd als veelbelovende kandidaten voor het bouwen van krachtige kwantumcomputers.

Een oude controverse

Een Bell-test is gebaseerd op een experimentele opzet die oorspronkelijk bedacht was als een gedachte-experiment door de Britse natuurkundige John Bell in de jaren 60. Bell wilde een vraag beantwoorden waarover groten in de natuurkunde al in de jaren 30 hadden gediscussieerd: zijn de voorspellingen van de kwantummechanica, die in schril contrast met de alledaagse intuïtie, of zijn conventionele noties van causaliteit ook van toepassing in de atomaire microkosmos? zoals Albert Einstein geloofde?

Om deze vraag te beantwoorden, stelde Bell voor om een ​​willekeurige meting uit te voeren op twee verstrengelde deeltjes tegelijk en de ongelijkheid van Bell te testen. Als Einsteins notie van lokale causaliteit waar is, zullen deze experimenten altijd voldoen aan de ongelijkheid van Bell. In plaats daarvan voorspelt de kwantummechanica dat ze het zullen schenden.

De laatste twijfels zijn weggenomen

Begin jaren zeventig voerden John Francis Clauser, die vorig jaar de Nobelprijs voor natuurkunde ontving, en Stuart Freedman een eerste praktische Bell-test uit. In hun experimenten konden de twee onderzoekers bewijzen dat de ongelijkheid van Bell inderdaad wordt geschonden. Maar ze moesten bepaalde aannames doen in hun experimenten om ze in de eerste plaats te kunnen uitvoeren. Dus in theorie zou het nog steeds waar kunnen zijn dat Einstein gelijk had toen hij sceptisch stond tegenover de kwantummechanica.

In de loop van de tijd zouden echter steeds meer van deze hiaten kunnen worden gedicht. Uiteindelijk slaagden verschillende groepen er in 2015 in om de eerste echte Bell-tests zonder mazen uit te voeren, waarmee het oude geschil eindelijk werd opgelost.

Veelbelovende sollicitaties

Het team van Wallraff kan deze resultaten nu bevestigen met een nieuw experiment. Het werk van de ETH-onderzoekers is gepubliceerd in Natuur blijkt dat het onderzoek naar deze zaak nog niet is afgerond, ondanks de eerste bevestiging zeven jaar geleden. Hiervoor zijn verschillende redenen.

Ten eerste bevestigt het experiment van de ETH-onderzoekers dat supergeleidende circuits ook werken volgens de wetten van de kwantummechanica, ook al zijn ze veel groter dan kleine kwantumobjecten zoals fotonen of ionen. Elektronische schakelingen van enkele honderden micrometers groot, gemaakt van supergeleidende materialen en werkend op microgolffrequenties, worden macroscopische kwantumobjecten genoemd.

In andere opzichten hebben de Bell-testen ook praktische betekenis. “Modified Bell-tests kunnen bijvoorbeeld in cryptografie worden gebruikt om aan te tonen dat informatie daadwerkelijk in versleutelde vorm wordt verzonden”, legt Simon Storz uit, een promovendus in de groep van Wallraff. “Met onze aanpak kunnen we veel efficiënter dan in andere experimentele omgevingen bewijzen dat de ongelijkheid van Bell wordt geschonden. Dit maakt het bijzonder interessant voor praktische toepassingen.”

De zoektocht naar compromissen

Hiervoor hebben onderzoekers echter een geavanceerde testfaciliteit nodig. Want om de Bell-test echt zonder mazen te laten zijn, moeten ze ervoor zorgen dat er geen informatie kan worden uitgewisseld tussen de twee verstrengelde circuits voordat de kwantummetingen zijn voltooid. Aangezien de snelste informatie kan worden verzonden met de snelheid van het licht, moet de meting minder tijd kosten dan een lichtdeeltje nodig heeft om van het ene circuit naar het andere te gaan.

Daarom is het belangrijk om bij het opzetten van het experiment een evenwicht te vinden: hoe groter de afstand tussen de twee supergeleidende circuits, hoe meer tijd er beschikbaar is voor de meting – en hoe complexer de experimentele opstelling wordt. Dit komt omdat het hele experiment moet worden uitgevoerd in een vacuüm nabij het absolute nulpunt.

De ETH-onderzoekers bepaalden de kortste afstand waarop een succesvolle Bell-test zou plaatsvinden zonder mazen in de wet op ongeveer 33 meter, aangezien een lichtdeeltje er ongeveer 110 nanoseconden over doet om die afstand in een vacuüm af te leggen. Dat is een paar nanoseconden meer dan de onderzoekers nodig hadden om het experiment uit te voeren.

Een kloof van dertig meter

Het team van Wallraff heeft een indrukwekkende installatie gebouwd in de ondergrondse gangen van de ETH-campus. Aan elk van de twee uiteinden bevindt zich een cryostaat met een supergeleidend circuit. Deze twee koelapparaten zijn met elkaar verbonden door een 30 meter lange buis waarvan de binnenkant wordt gekoeld tot een temperatuur net boven het absolute nulpunt (–273,15°C).

Voordat elke meting begint, wordt een microgolffoton van een van de twee supergeleidende circuits naar het andere gestuurd, zodat de twee circuits verstrengeld raken. Willekeurige getallengeneratoren beslissen vervolgens welke metingen op de twee circuits worden uitgevoerd als onderdeel van de Bell-test. Vervolgens worden de resultaten van de metingen aan beide zijden vergeleken.

Verstrengeling op grote schaal

Na evaluatie van meer dan een miljoen metingen toonden de onderzoekers met zeer hoge statistische zekerheid aan dat de ongelijkheid van Bell in deze experimentele opstelling wordt geschonden. Met andere woorden, ze hebben bevestigd dat kwantummechanica ook niet-lokale correlaties mogelijk maakt in macroscopische elektrische circuits, en bijgevolg dat supergeleidende circuits over lange afstanden verstrikt kunnen raken. Dit opent interessante potentiële toepassingen op het gebied van gedistribueerde kwantumcomputing en kwantumcryptografie.

Het bouwen van de faciliteit en het testen was een uitdaging, zegt Wallraff. Het eenvoudigweg koelen van de gehele experimentele opstelling tot een temperatuur nabij het absolute nulpunt vereist een aanzienlijke inspanning.

“Er zit 1,3 ton koper en 14.000 schroeven in onze machine, evenals veel natuurkundige en technische kennis”, zegt Wallraff. Hij denkt dat het in principe mogelijk is om op dezelfde manier voorzieningen te bouwen die nog grotere afstanden overspannen. Deze technologie zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om supergeleidende kwantumcomputers over lange afstanden met elkaar te verbinden.