Kvantové zapletenie zostáva pre moderných fyzikov jednou z najnáročnejších študijných odborov. Vedci, ktorých Einstein označil za „strašidelnú akciu na diaľku“, sa dlho snažili zmieriť, ako môže tento aspekt kvantovej mechaniky existovať súčasne s klasickou mechanikou. Skutočnosť, že dve častice môžu byť spojené na veľké vzdialenosti, v zásade porušuje pravidlá lokality a realizmu.
Z formálneho hľadiska ide o porušenie Bellinej nevyhnutnosti, teórie, ktorá sa už desaťročia používa na preukázanie toho, že lokalita a realizmus sú platné napriek tomu, že nie sú v súlade s kvantovou mechanikou. V nedávnej štúdii však tím vedcov z Univerzity Ludwig-Maximilián (LMU) a Inštitútu Maxa Plancka pre kvantovú optiku v Mníchove vykonal testy, ktoré opäť porušujú Bellovu nerovnosť a dokazujú existenciu zapletenia.
Ich štúdia s názvom „Zvonkový test pripravený na udalosti, pri ktorom sa pomocou zapletených atómov simultánne uzatvára detekcia a lokalizačné medzery“, bola nedávno uverejnená Listy o fyzickom preskúmaní, Tím vedený Wenjaminom Rosenfeldom, fyzikom na LMU a Inštitútom Maxa Plancka pre kvantovú optiku, sa tím pokúsil otestovať Bellovu nerovnosť tým, že do diaľky zamotal dve častice.
Bellova nerovnosť (pomenovaná po írskom fyzikovi Johnovi Bellovi, ktorý ju navrhol v roku 1964) v podstate uvádza, že vlastnosti objektov existujú nezávisle od toho, či sú pozorované (realizmus), a žiadne informácie ani fyzický vplyv sa nemôžu šíriť rýchlejšie ako rýchlosť svetla (lokalita). Tieto pravidlá dokonale opisujú realitu, ktorú každý deň prežívame, kde veci korene v určitom priestore a čase existujú a sú nezávislé od pozorovateľa.
Zdá sa však, že na kvantovej úrovni sa tieto pravidlá neriadia. Častice môžu byť spojené nielen lokálnymi spôsobmi na veľké vzdialenosti (t. J. Zapletenie), ale vlastnosti týchto častíc nie je možné definovať, kým nie sú zmerané. A zatiaľ čo všetky experimenty potvrdili, že predpovede kvantovej mechaniky sú správne, niektorí vedci naďalej tvrdia, že existujú medzery, ktoré umožňujú miestny realizmus.
Na riešenie tohto problému mníchovský tím uskutočnil experiment s použitím dvoch laboratórií na LMU. Zatiaľ čo prvé laboratórium sa nachádzalo v suteréne oddelenia fyziky, druhé laboratórium sa nachádzalo v suteréne oddelenia ekonomiky - približne 400 metrov od hotela. V oboch laboratóriách tímy zachytili jeden atóm rubídia v lokálnej pasci a potom ich začali vzrušovať, kým neuvoľnili jediný fotón.
Ako vysvetlil Dr. Wenjamin Rosenfeld v tlačovej správe inštitútu Max Planck Institute:
„Naše dve pozorovacie stanice sú prevádzkované nezávisle a sú vybavené vlastnými laserovými a riadiacimi systémami. Vďaka vzdialenosti 400 metrov medzi laboratóriami by komunikácia z jedného laboratória do druhého vyžadovala 1328 nanosekúnd, čo je oveľa viac, ako je trvanie procesu merania. Takže žiadne informácie o meraní v jednom laboratóriu nemožno použiť v inom laboratóriu. Týmto spôsobom uzavierame medzeru v oblasti. “
Akonáhle boli dva atómy rubídia excitované do bodu uvoľnenia fotónu, boli spinálne stavy atómov rubídia a polarizačné stavy fotónov účinne zapletené. Fotóny sa potom spojili do optických vlákien a viedli do zostavy, kde boli vystavené interferencii. Po vykonaní merania trvajúcom 8 dní vedci dokázali zozbierať okolo 10 000 udalostí, aby skontrolovali zapletenie znakov.
To by naznačovali točenia dvoch zachytených atómov rubídia, ktoré by smerovali rovnakým smerom (alebo opačným smerom, v závislosti od druhu zapletenia). Mníchovský tím zistil, že pre veľkú väčšinu udalostí boli atómy v rovnakom stave (alebo v opačnom stave) a že iba šesť odchýlok zodpovedalo Bellovej nerovnosti.
Tieto výsledky boli štatisticky významnejšie ako výsledky, ktoré získal tím holandských fyzikov v roku 2015. V dôsledku tejto štúdie holandský tím uskutočnil experimenty s použitím elektrónov v diamantoch v laboratóriách vzdialených 1,3 km. Ich výsledky (a ďalšie nedávne testy Bellovej nerovnosti) nakoniec ukázali, že kvantové zapletenie je skutočné a účinne uzatvára medzeru v miestnom realizme.
Ako vysvetlil Wenjamin Rosenfeld, testy vykonané jeho tímom išli nad tieto ďalšie experimenty tým, že sa zaoberali ďalším závažným problémom. "Dokázali sme rýchlo a veľmi efektívne určiť spinový stav atómov," uviedol. „Týmto sme uzavreli druhú potenciálnu medzeru: predpoklad, že pozorované porušenie je spôsobené neúplnou vzorkou zistených atómových párov.“
Získaním dôkazu o porušení Bellinej nerovnosti vedci nielen pomáhajú vyriešiť pretrvávajúcu nezhodu medzi klasickou a kvantovou fyzikou. Otvárajú tiež dvere zaujímavým možnostiam. Napríklad vedci už roky očakávali vývoj kvantových procesorov, ktoré sa spoliehajú na zapletenia simulujúce nuly a binárne kódy.
Počítače, ktoré sa spoliehajú na kvantovú mechaniku, by boli exponenciálne rýchlejšie ako tradičné mikroprocesory a zaradili by sa do nového veku výskumu a vývoja. Rovnaké princípy boli navrhnuté pre kybernetickú bezpečnosť, kde by sa na šifrovanie informácií použilo kvantové šifrovanie, čo by nezraniteľné pre hackerov, ktorí sa spoliehajú na konvenčné počítače.
V neposlednom rade existuje koncepcia Quantum Entanglement Communications, metóda, ktorá by nám umožnila prenášať informácie rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Predstavte si možnosti vesmírneho cestovania a prieskumu, ak už nie sme viazaní hranicami relativistickej komunikácie!
Einstein sa nemýlil, keď charakterizoval kvantové zapletenia ako „strašidelnú akciu“. V skutočnosti je veľa dôsledkov tohto javu stále také desivé, pretože fascinujú fyzikov. Ale čím bližšie k tomu rozumieme, tým bližšie budeme smerom k rozvoju porozumenia toho, ako sa všetky známe fyzické sily vesmíru zmestia - aka. teória všetkého!
