Vědecké jádro týmu, zleva: Anatolij Kulikov, Simon Storz, Andreas Wallraff, Josua Schär, Janis Lütolf, Laboratoř kvantových zařízení na ETH v Curychu. Kredit: Daniel Winkler, ETH Zürich

Skupina výzkumníků vedená Andreasem Wallraffem, profesorem fyziky pevných látek na ETH Zürich, provedla Bellův test bez mezer, aby vyvrátila koncept "lokální kauzality", kterou Albert Einstein formuloval jako reakci na kvantovou mechaniku. Fyzikové prokázali, že kvantově-mechanické objekty, které jsou daleko od sebe, mohou být v mnohem větší vzájemné korelaci než běžné systémy. Jde o další potvrzení správnosti předpokladů kvantové mechaniky. Výjimečné na tomto experimentu je, že vědci jej poprvé uskutečnili pomocí supravodivých obvodů, které jsou slibnými kandidáty na stavbu výkonných kvantových počítačů.

Starý spor

Bellův test je založen na experimentu, jehož teoretickou koncepci v roce 1960 navrhl britský fyzik John Bell. Chtěl vyřešit otázku, o které se velikáni fyziky dohadovali již od roku 1930: Jsou předpovědi kvantové mechaniky, jež jsou zcela v rozporu s každodenní intuicí, správné, nebo platí konvenční koncepty kauzality také v atomovém mikrokosmu, jak věřil Albert Einstein?

K zodpovězení této otázky Bell navrhl provést náhodná měření na dvou provázaných částicích současně a porovnat je s Bellovou nerovností. Pokud je Einsteinův koncept lokální kauzality pravdivý, tyto experimenty budou vždy v souladu s Bellovou nerovností. Kvantová mechanika naopak předpovídá, že ji poruší.

Část 30 metrů dlouhého propojení mezi dvěma supravodivými obvody. Vakuová trubice obsahuje mikrovlnný vlnovod, který je chlazen na přibližně –273 ° C a spojuje dva kvantové obvody. Kredit: Daniel Winkler, ETH Zürich

Poslední pochybnosti rozptýleny

Na počátku roku 1970 John Francis Clauser, loňský laureát Nobelovy ceny za fyziku, a Stuart Freedman provedli první praktický Bellův test, kterým prokázali, že Bellova nerovnost je skutečně porušena. Ve svých experimentech však museli přijmout určité předpoklady, aby je vůbec mohli provádět. Tato omezení však skýtala skulinu pro pochybností, tedy teoreticky by Einsteinova skepse vůči kvantové mechanice mohla být oprávněná.

Postupem času vědci dokázali postupně tyto mezery uzavřít, až konečně se v roce 2015 podařilo několika týmům provést první Bellovy testy bez mezer a tím ukončit starý spor.

Slibné aplikace

Nyní tyto výsledky novým experimentem potvrdila i Wallraffova skupina na ETH. Studie, kterou shrnula v článku publikovaném v časopise Nature, ukazuje, že výzkum na toto téma není uzavřen, navzdory potvrzení před sedmi lety. Existuje pro to několik důvodů. Za prvé, výzkumníci ETH svými experimenty prokázali, že supravodivé obvody fungují také podle zákonů kvantové mechaniky, i když jsou mnohem větší než mikroskopické kvantové objekty, jako jsou fotony nebo ionty. Elektronické obvody o velikosti několika set mikrometrů vyrobené ze supravodivých materiálů a pracující na mikrovlnných frekvencích jsou označovány jako makroskopické kvantové objekty.

Pohled dovnitř 30 metrů dlouhé spojovací trubice. Hliníkový vlnovod uprostřed, který propojuje dva kvantové obvody, je chlazený na teplotu blízkou absolutní nule. Několik vrstev měděného stínění chrání vodič před tepelným zářením. Kredit: Daniel Winkler, ETH Zürich

Bellovy testy mají také praktický význam. "Modifikované Bellovy testy mohou být použity například v kryptografii pro potvrzení, že informace jsou skutečně přenášeny v šifrované podobě," vysvětluje Simon Storz, doktorand ve Wallraffově týmu. "S naším přístupem můžeme dokázat mnohem efektivněji, než to umožňují jiná experimentální nastavení, že Bellova nerovnost je porušena. Díky tomu je obzvláště zajímavý pro praktické aplikace."

Hledání kompromisu

K tomu však vědci potřebují sofistikované testovací zařízení. Aby Bellův test byl skutečně bez mezer, musí zajistit, aby před dokončením kvantových měření nemohla být mezi dvěma propletenými obvody vyměněna žádná informace. Vzhledem k tomu, že nejrychleji, jak mohou být informace přenášeny, je rychlost světla, měření tedy musí trvat kratší dobu, než foton doletí z jednoho okruhu do druhého.

Vědci vyvinuli vlastní kryostat pro efektivní chlazení 30metrového vlnovodu uvnitř propojovací trubky. Kredit: Daniel Winkler, ETH Zürich

Při nastavování experimentu je proto důležité dosáhnout rovnováhy: na straně jedné, čím větší je vzdálenost mezi dvěma supravodivými obvody, tím více času je k dispozici pro měření, ale na straně druhé, tím složitější je experimentální konfigurace. Je to proto, že celý pokus musí být proveden ve vakuu a teplotě blízké absolutní nule.

Výzkumníci ETH určili nejkratší vzdálenost, na kterou lze provést úspěšný Bellův test bez mezer, na přibližně 33 metrů, protože lehké částici trvá asi 110 nanosekund, než urazí tuto vzdálenost ve vakuu. A to je o několik nanosekund déle, než trvalo vědcům provést měření.

Třicetimetrové podchlazené vakuum

V podzemních chodbách ETH Wallraffův tým sestavil působivé zařízení. Na každém z jeho dvou konců je kryostat se supravodivým obvodem uvnitř. Tyto dvě chladicí aparatury jsou propojeny 30 metrů dlouhou trubicí, jejíž vnitřek je chlazen na teplotu těsně nad absolutní nulou (–273,15 °C).

Před začátkem každého měření je mikrovlnný foton přenášen z jednoho ze dvou supravodivých obvodů do druhého tak, aby se oba obvody kvantově provázaly. Generátory náhodných čísel rozhodnou, která měření se na obou obvodech uskuteční jako součást Bellova testu. Pak se výsledky měření na obou stranách porovnají.

Rozsáhlé zapletení

Po vyhodnocení více než jednoho milionu měření vědci s velmi vysokou statistickou jistotou potvrdili, že Bellova nerovnost je v takto koncipovaném experimentu porušena. Jinými slovy, prokázali, že kvantová mechanika umožňuje nelokální korelace také v makroskopických elektrických obvodech a v důsledku toho mohou být supravodivé obvody kvantově zapleteny na velkou vzdálenost. To otevírá možnosti pro zajímavé aplikace v oblasti distribuovaných kvantových výpočtů a kvantové kryptografie.

Wallraff připomíná, že vybudování zařízení a provedení testu bylo výzvou: "Byli jsme schopni financovat projekt po dobu šesti let s příspěvkem z ERC Advanced Grant." Pouhé ochlazení celé experimentální sestavy na teplotu blízkou absolutní nule vyžaduje značné úsilí. "V našem zařízení je 1,3 tuny mědi a 14 000 šroubů, stejně jako velké množství fyzikálních znalostí a inženýrského know-how," říká Wallraff. Je přesvědčen, že v zásadě by bylo možné stejným způsobem vytvořit systémy, které by překonávaly ještě větší vzdálenosti. Například zajímavou aplikací by bylo propojení jednotlivých supravodivých kvantových počítačů.

Video: Netradiční vysvětlení Bellova testu jako příběhu "kvantové lásky" - ilustraci toho, jak Bellův test funguje a jak ho ovlivňují takzvané mezery. Video vzniklo jako součást mediálního článku k odborné studii B. Hensen a kol., Technická univerzita v Delftu: "Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres.“ Kredit: TU Delft

Video: Známý popularizátor vědy, americký teoretický fyzik, matematik a strunový teoretik Brian Greene v náročnějším videu na téma Bellův teorém a nelokálnost vesmíru.

Literatura

ETH Zürich

Nature (článek je volně přístupný)

Poznámka

Článek je upraveným překladem zprávy Felixe Würstena (ETH) a reaguje na fyzikální novinku virálně se šířící mediiálním prostorem někdy ve více či méně zavádějící formě. Ke zde stručně popsanému experimentu bez vysvětlení podrobností týkajících se Bellova testu bez mezer, Bellovy nerovnosti, provázanosti a vlastního měření se hodláme vrátit v podrobnějším článku, o který jsme požádali našeho fyzikálního guru Vladimíra Wagnera.  Redakce