Kvanttista vai ei

Vuonna 1964 John Stewart Bell ennusti, että kahden osapuolen tekemien mittausten väliset korrelaatiot lomittuneesta hiukkasparista voisivat vahvistaa kvanttimaailman ei-klassisen luonteen. Viime vuosina tutkijat ovat tehneet Bellin ennusteille erilaisia testejä, jotka ovat osoittautuneet riittävän tiukoiksi poissulkemaan klassiset selitykset.

Nyt tutkijat Kiinasta ja Espanjasta ovat tehneet saman monimutkaisemmalla järjestelmällä – kvanttiverkolla, jossa kolme osapuolta tekee mittauksia kahdesta lähteestä syntyvistä lomittuneista hiukkaspareista. Tutkijat sanovat, että heidän "tiukka" vahvistuksensa kvantti-ilmiöistä on rohkaisevaa tulevaisuuden turvallisten kvanttiviestintäverkkojen kehittämistä ajatellen.

Jotta varmistetaan tiukka ei-klassismin testaus ja todistetaan, että paikallisen realismin klassiset oletukset ovat virheellisiä, kokeilu oli toteutettava huolellisesti. Jos mittaavat osapuolet voivat kommunikoida klassisesti kokeen aikana tai jos kaksi lomittuvan hiukkasen luovaa laitetta voivat vaikuttaa toisiinsa, niin näennäisellä kvanttikäyttäytymisellä voi olla klassisia selityksiä. Kvanttiviestintäverkossa tällaiset porsaanreiät voivat antaa salakuuntelijoille mahdollisuuden.

Kokeessaan tutkijat sulkivat nämä porsaanreiät sijoittamalla jokaisen verkkonsa elementin noin 100 metrin etäisyydelle toisistaan. He myös määrittävät kolmen osapuolen mittausasetukset käyttämällä erilaisiakvanttisatunnaislukugeneraattoreita varmistaakseen, että mittaukset ovat todella riippumattomia.

Nämä varotoimet antavat tutkijoille mahdollisuuden osoittaa, että verkko täyttää ehdon, joka tunnetaan nimellä täydellinen verkon epäpaikallisuus, mikä todistaa, että yhtäkään lomittuneiden hiukkasten lähdettä ei voida kuvata klassisella fysiikalla.

ETH Zürichin tutkijat ovat puolestaan onnistuneet osoittamaan, että kaukanakin toisistaan olevat kvanttimekaaniset objektit voivat korreloida keskenään paljon vahvemmin kuin perinteisissä järjestelmissä on mahdollista.

Käytännössä tutkijat ovat tehneet kaikkien aikojen ensimmäisen porsaanreiättömän Bell-testin suprajohtavilla piireillä ja sen avulla vahvistaneet, että perinteiset kausaalisuuden käsitteet eivät päde kvanttimaailmassa.

Erikoista tässä kokeessa on, että tutkijat pystyivät ensimmäistä kertaa suorittamaan sen suprajohtavilla piireillä. Siten kokeilu vahvistaa, että makroskooppiset suprajohtavat piirit toimivat kvanttimekaniikan lakien mukaan, vaikka ne ovatkin paljon suurempia kuin mikroskooppiset kvanttiobjektit, kuten fotonit tai ionit.

Kokeissaan he käyttivät 30 metriä pitkää putkea, jonka sisäpuoli jäähdytettiin lämpötilaan, joka on hieman yli absoluuttisen nollan (-273,15 °C).

Bell-testeillä on myös käytännön merkitystä. "Modified Bell -testejä voidaan käyttää esimerkiksi kryptografiassa osoittamaan, että informaatio todella välitetään salatussa muodossa", selittää tohtoriopiskelija Simon Storz.

”Lähestymistavallamme voimme todistaa paljon tehokkaammin kuin muissa kokeellisissa järjestelyissä on mahdollista, että Bellin epätasa-arvoa rikotaan. Tämä tekee siitä erityisen mielenkiintoisen käytännön sovelluksissa."

Tätä tekniikkaa voitaisiin käyttää esimerkiksi suprajohtavien kvanttitietokoneiden yhdistämiseen pitkien etäisyyksien päähän.

Aiheesta aiemmin:

Kohti topologista kvanttilaskentaa

Moduuli kvantti-informaation siirrolle