Kvantové zapletení zůstává pro moderní fyziky jedním z nejnáročnějších oborů studia. Einstein označil za „strašidelnou akci na dálku“ a vědci se dlouho snažili smířit, jak může tento aspekt kvantové mechaniky koexistovat s klasickou mechanikou. Skutečnost, že dvě částice mohou být spojeny na velké vzdálenosti, v zásadě porušuje pravidla lokality a realismu.
Formálně se jedná o porušení Bellovy Ineqaulity, teorie, která se používá po celá desetiletí, aby ukázala, že lokalita a realismus jsou platné, přestože jsou v rozporu s kvantovou mechanikou. V nedávné studii však tým vědců z Ludwig-Maximiliánské univerzity (LMU) a Institutu pro kvantovou optiku Maxe Plancka v Mnichově provedl testy, které opět porušují Bellovu nerovnost a prokazují existenci zapletení.
Jejich studie s názvem „Zvonkový test připravený na události, při kterém se pomocí detekovaných a lokálních mezer současně zamotávají atomy“, byla nedávno zveřejněna v Dopisy fyzické kontroly. Tým vedený Wenjaminem Rosenfeldem, fyzikem na LMU a Institutem pro kvantovou optiku Maxe Plancka, se tým pokusil vyzkoušet Bellovu nerovnost tím, že do dálky zapletl dvě částice.
Bellova nerovnost (pojmenovaná podle irského fyzika Johna Bell, který ji navrhl v roce 1964) v podstatě uvádí, že vlastnosti objektů existují nezávisle na tom, zda jsou pozorovány (realismus), a žádná informace ani fyzický vliv se nemohou šířit rychleji než rychlost světla (lokalita). Tato pravidla dokonale popisovala realitu, kterou lidé každý den prožíváme, kde jsou věci zakořeněny v určitém prostoru a čase a existují nezávisle na pozorovateli.
Na kvantové úrovni se však nezdá, že by se tato pravidla řídila. Částice mohou být spojeny nejen lokálně na velké vzdálenosti (tj. Zapletení), ale vlastnosti těchto částic nelze definovat, dokud nejsou změřeny. A zatímco všechny experimenty potvrdily, že předpovědi kvantové mechaniky jsou správné, někteří vědci nadále tvrdí, že existují mezery, které umožňují místní realismus.
Za tímto účelem provedl mnichovský tým experiment pomocí dvou laboratoří na LMU. Zatímco první laboratoř byla umístěna v suterénu oddělení fyziky, druhá laboratoř byla umístěna v suterénu ekonomického oddělení - zhruba 400 metrů odtud. V obou laboratořích týmy zachytily jeden atom rubidia v lokální pasti a poté je začaly vzrušovat, dokud neuvolnily jediný foton.
Jak vysvětlil Dr. Wenjamin Rosenfeld v tiskové zprávě Max Planck Institute:
„Naše dvě pozorovací stanice jsou provozovány nezávisle a jsou vybaveny vlastním laserovým a řídicím systémem. Kvůli vzdálenosti 400 metrů mezi laboratořemi by komunikace z jedné na druhou trvala 1328 nanosekund, což je mnohem více než doba trvání procesu měření. Žádné informace o měření v jedné laboratoři tedy nelze použít v jiné laboratoři. Tímto způsobem uzavíráme mezeru v lokalitě. “
Jakmile byly oba atomy rubidia excitovány až do okamžiku, kdy došlo k uvolnění fotonu, byly spinové stavy atomů rubidia a polarizační stavy fotonů účinně zapleteny. Fotony pak byly spojeny do optických vláken a vedeny do sestavy, kde byly přivedeny k rušení. Po provedení měřicího běhu po dobu osmi dnů byli vědci schopni shromáždit kolem 10 000 událostí, aby zkontrolovali příznaky zapletení.
To by naznačovaly točení dvou uvězněných atomů rubidia, které by směřovaly stejným směrem (nebo v opačném směru, v závislosti na druhu zapletení). Mnichovský tým zjistil, že pro drtivou většinu událostí byly atomy ve stejném stavu (nebo v opačném stavu) a že pouze šest odchylek odpovídalo Bellině nerovnosti.
Tyto výsledky byly také statisticky významnější než ty, které získal tým nizozemských fyziků v roce 2015. V důsledku této studie provedl nizozemský tým experimenty s použitím elektronů v diamantech v laboratořích vzdálených 1,3 km. Na konci jejich výsledky (a další nedávné testy Bellovy nerovnosti) ukázaly, že kvantové zapletení je skutečné, účinně uzavírá mezeru v místním realismu.
Jak vysvětlil Wenjamin Rosenfeld, testy provedené jeho týmem také překročily tyto další experimenty a zaměřily se na další hlavní problém. "Dokázali jsme rychle a velmi efektivně určit spinový stav atomů," řekl. "Uzavřeli jsme tedy druhou potenciální mezeru: předpoklad, že pozorované porušení je způsobeno neúplným vzorkem detekovaných atomových párů".
Získáním důkazu o porušení Bellovy nerovnosti vědci nejen pomáhají vyřešit přetrvávající rozpor mezi klasickou a kvantovou fyzikou. Také otevírají dveře několika zajímavým možnostem. Například vědci roky předpokládali vývoj kvantových procesorů, které spoléhají na zapletení, aby simulovaly nuly a binární kódy.
Počítače, které se spoléhají na kvantovou mechaniku, by byly exponenciálně rychlejší než konvenční mikroprocesory a zavedly by nový věk výzkumu a vývoje. Stejné zásady byly navrženy pro kybernetickou bezpečnost, kde by se pro šifrování informací použilo kvantové šifrování, což by bylo nezranitelné pro hackery, kteří se spoléhají na konvenční počítače.
V neposlední řadě existuje koncept Quantum Entanglement Communications, metoda, která by nám umožnila přenášet informace rychleji než rychlost světla. Představte si možnosti kosmického cestování a průzkumu, pokud již nebudeme vázáni limity relativistické komunikace!
Einstein se nemýlil, když charakterizoval kvantové zapletení jako „strašidelnou akci“. Ve skutečnosti je mnoho důsledků tohoto jevu stále děsivé, protože fascinují fyziky. Ale čím blíže tomu rozumíme, tím blíže budeme k rozvoji porozumění tomu, jak se všechny známé fyzické síly vesmíru hodí dohromady - aka. Teorie všeho!
