Kvantna zapletenost ostaja eno najzahtevnejših področij preučevanja sodobnih fizikov. Znanstveniki so ga Einsteina opisali kot "grozovito delovanje na daljavo", ki so ga znanstveniki že dolgo poskušali uskladiti, kako ta vidik kvantne mehanike lahko obstaja skupaj s klasično mehaniko. Dejstvo, da se dva velika delca lahko povežeta na velike razdalje, krši pravila lokalnosti in realizma.
Formalno gre za kršitev Bellove neenakosti, teorije, ki jo že desetletja uporabljamo, da dokazuje, da sta lokalnost in realizem veljavna, čeprav nista v skladu s kvantno mehaniko. Vendar pa je v nedavni študiji skupina raziskovalcev z Univerze Ludwig-Maximilian (LMU) in Inštituta Max Planck za kvantno optiko v Münchnu izvedla teste, ki še enkrat kršijo Bellovo neenakost in dokazujejo obstoj zapletov.
Njihova študija z naslovom "Bell test, pripravljen za dogodek z uporabo zapletenih atomov, ki hkrati zaprejo vrzeli zaznavanja in krajevne vrzeli", je bila nedavno objavljena v Pisma o fizičnem pregledu. Pod vodstvom Wenjamina Rosenfelda, fizika na LMU in Inštituta Maxa Plancka za kvantno optiko, je ekipa poskušala preizkusiti Bellovo neenakost tako, da je dva delca zapletla na daljavo.
Bellova neenakost (imenovana po irskem fiziku Johnu Bellu, ki jo je predlagal leta 1964) v bistvu navaja, da lastnosti predmetov obstajajo neodvisno od opazovanja (realizem) in nobena informacija ali fizični vpliv se ne moreta širiti hitreje od hitrosti svetlobe (lokalnost). Ta pravila so odlično opisovala resničnost, ki jo ljudje doživljamo vsakodnevno, kjer so stvari ukoreninjene v določenem prostoru in času in obstajajo neodvisno od opazovalca.
Vendar se na kvantni ravni zdi, da stvari ne sledijo tem pravilom. Delce lahko na velike razdalje (t.j. zapletenost) povežemo samo na nenacionalne načine, ampak lastnosti teh delcev ni mogoče določiti, dokler jih ne merimo. In čeprav so vsi poskusi potrdili, da so napovedi kvantne mehanike pravilne, nekateri znanstveniki še naprej trdijo, da obstajajo vrzeli, ki omogočajo lokalni realizem.
Za reševanje tega problema je münchenska ekipa izvedla poskus z dvema laboratorijama na LMU. Medtem ko je bil prvi laboratorij nameščen v kleti oddelka za fiziko, je bil drugi v kletnih prostorih ekonomskega oddelka - približno 400 metrov stran. V obeh laboratorijih so ekipe ujele en sam atom rubidija v aktualno past in jih nato začele navduševati, dokler niso izdale niti enega fotona.
Kot je v sporočilu za javnost Max Planck Inštitut pojasnil doktor Wenjamin Rosenfeld:
„Naši dve opazovalni postaji delujeta neodvisno in sta opremljeni z lastnimi laserskimi in nadzornimi sistemi. Zaradi 400 metrov razdalje med laboratoriji bi komunikacija od enega do drugega trajala 1328 nanosekund, kar je veliko več kot trajanje merilnega postopka. Torej, podatkov o meritvah v enem laboratoriju ni mogoče uporabiti v drugem. Tako zapiramo vrzel v kraju. "
Ko sta se dva atoma rubidija vzbudila do točke, ko sproščata foton, sta se spin-stanja atomov rubidija in stanja polarizacije fotonov učinkovito zapletla. Fotografije so nato povezali v optična vlakna in jih vodili do postavitve, kjer so jih privedli do motenj. Potem ko so osem dni opravili meritve, so znanstveniki lahko zbrali približno 10.000 dogodkov in preverili, ali se znaki zapletejo.
To bi se pokazalo z vrtenjem obeh ujetih atomov rubidija, ki bi kazali v isto smer (ali v nasprotno smer, odvisno od vrste zapletenosti). Münchenska ekipa je ugotovila, da so bili atomi v veliki večini dogodkov v istem stanju (ali v nasprotnem stanju) in da je bilo le šest odstopanj skladnih z Belovo neenakostjo.
Ti rezultati so bili tudi statistično pomembnejši od rezultatov, ki jih je leta 2015 dobila ekipa nizozemskih fizikov. Zaradi te študije je nizozemska ekipa izvedla poskuse z uporabo elektronov v diamantih v laboratorijih, ki so bili na razdalji 1,3 km. Na koncu so njihovi rezultati (in drugi nedavni testi Bell-ove neenakosti) pokazali, da je kvantno zapletanje resnično, kar dejansko zapira vrzel lokalnega realizma.
Kot je pojasnil Wenjamin Rosenfeld, so testi, ki jih je izvedla njegova ekipa, presegli tudi te druge poskuse, saj so obravnavali drugo pomembno vprašanje. "Uspeli smo hitro in zelo učinkovito določiti spinovno stanje atomov," je dejal. "S tem smo zaprli drugo potencialno vrzel: domnevo, da opaženo kršitev povzroča nepopoln vzorec odkritih atomskih parov."
Znanstveniki s pridobitvijo dokazov o kršitvi Bellove neenakosti ne samo pomagajo razrešiti trajno neskladnost med klasično in kvantno fiziko. Prav tako odpirajo vrata za nekatere vznemirljive možnosti. Na primer, znanstveniki že leta pričakujejo razvoj kvantnih procesorjev, ki se zanašajo na zaplete, ki simulirajo ničle in binarne kode.
Računalniki, ki se opirajo na kvantno mehaniko, bi bili eksponencialno hitrejši od običajnih mikroprocesorjev in bi uvedli novo dobo raziskav in razvoja. Ista načela so bila predlagana za kibernetsko varnost, kjer bi kvantno šifriranje uporabili za šifriranje informacij, zaradi česar je ta ranljiva za hekerje, ki se zanašajo na običajne računalnike.
Nenazadnje obstaja koncept Quantum Entanglement Communications, metoda, ki bi nam omogočala, da podatke prenašamo hitreje od svetlobne hitrosti. Predstavljajte si možnosti za vesoljsko potovanje in raziskovanje, če nas več ne omejujejo meje relativistične komunikacije!
Einstein se ni motil, ko je kvantne zaplete označil za "grozovito dejanje". Dejansko je velik del posledic tega pojava še vedno tako zastrašujoč, kot so fascinantni za fizike. Toda bližje kot bomo razumeli, tem bližje bomo razvijanju razumevanja, kako se vse znane fizične sile Vesolja skladajo - aka. teorija vsega!
