Kubity używają 30 metrów, aby potwierdzić, że Einstein mylił się co do kwantowości – Ars Technica

Nowy eksperyment wykorzystuje kubity nadprzewodzące, aby udowodnić, że mechanika kwantowa narusza tak zwany lokalny realizm, pozwalając dwóm obiektom zachowywać się jak jeden układ kwantowy, niezależnie od tego, jak duża jest ich separacja. Eksperyment nie jest pierwszym, który pokazuje, że lokalny realizm nie jest sposobem działania wszechświata – nie jest pierwszym, który robi to z kubitami.

Ale jako pierwsi oddzielają kubity na wystarczającą odległość, aby zapewnić, że światło nie będzie wystarczająco szybkie, aby podróżować między nimi podczas dokonywania pomiarów. Dokonał tego poprzez schłodzenie 30-metrowego drutu aluminiowego do kilku milikelwinów. Ponieważ kubity są tak łatwe do kontrolowania, eksperyment zapewnia nową precyzję dla tego typu pomiarów. A przygotowanie sprzętu może być kluczowe dla przyszłych wysiłków związanych z obliczeniami kwantowymi.

Prawdziwe podejście do realizmu

Albert Einstein słynął z niektórych konsekwencji splątania kwantowego. Jeśli mechanika kwantowa jest poprawna, to para splątanych obiektów będzie zachowywać się jak pojedynczy układ kwantowy niezależnie od odległości między nimi. Zmiana stanu jednego musi natychmiast zmienić stan drugiego, ponieważ wydaje się, że zmiana następuje szybciej niż możliwość przemieszczania się światła między dwoma obiektami. To prawie na pewno jest błędne, argumentował Einstein.

Przez lata ludzie proponowali różne wersje tak zwanych zmiennych ukrytych — właściwości fizycznych, które są wspólne dla obiektów, umożliwiając zachowanie podobne do splątania, przy jednoczesnym zachowaniu informacji, które dyktują to zachowanie, w lokalizacji. Ukryte zmienne zachowują tzw. „lokalny realizm”, ale okazuje się, że tak naprawdę nie opisują naszej rzeczywistości.

Fizyk John Bell wykazał, że wszystkie ramy dla zmiennych lokalnych ograniczają stopień, w jakim można powiązać zachowanie obiektów kwantowych. Ale mechanika kwantowa oczekuje, że korelacje będą jeszcze wyższe. Mierząc zachowanie par splątanych cząstek, możemy stwierdzić, czy łamią one równania Bella, a tym samym jednoznacznie udowodnić, że zmienne ukryte nie wyjaśniają ich zachowania.

Początkowe kroki w kierunku tej demonstracji były słabe dla ukrytych zmiennych, ale dopuszczały luki – chociaż nierówność Bella została naruszona, nadal może być tak, że informacja przemieszcza się między obiektami kwantowymi z prędkością światła. Ale w ciągu ostatnich kilku dekad luki prawne stopniowo się zamykały, a Nagrody Nobla zostały rozdane.

Po co więc wracać do eksperymentów? Częściowo dlatego, że kubity dają nam dużą kontrolę nad systemem, pozwalając nam szybko przeprowadzić dużą liczbę eksperymentów i zbadać zachowanie tego splątania. Po części dlatego, że stanowi interesujące wyzwanie techniczne. Kubity nadprzewodzące są kontrolowane przez promieniowanie mikrofalowe, a ich splątanie wymaga przesunięcia między nimi bardzo niskoenergetycznych fotonów mikrofalowych. A zrobienie tego bez psucia wszystkiego hałasem środowiskowym jest poważnym wyzwaniem.

Straszna akcja na dystansie 30 metrów

Naruszenie nierówności Bella jest stosunkowo prostą sprawą polegającą na wielokrotnym pomiarze splątanych cząstek i wykazaniu, że ich stany są skorelowane. Jeśli ta korelacja przekracza wartość krytyczną, to wiemy, że zmienne ukryte nie mogą wyjaśnić tego zachowania. Kubity nadprzewodzące, zwane translatami, są wykonane tak, aby pomiar był trywialny, dokładny i szybki. Więc ta część jest prosta.

Wyeliminowanie jednej z głównych luk w tych pomiarach jest trudne. Trzeba pokazać, że w korelacji w pomiarach nie może pośredniczyć informacja przemieszczająca się z prędkością światła. Ponieważ pomiary wymagają tak krótkiego czasu, oznacza to, że musisz oddzielić dwa kubity na wystarczającą odległość, aby umożliwić zakończenie pomiaru, zanim światło przejdzie między nimi. Na podstawie tego, jak długo trwają pomiary, zespół badawczy odpowiedzialny za nową pracę, pracujący w ETH Zürich, obliczył, że wystarczy 30 metrów.

Chociaż znajduje się to na końcu korytarza w innym budynku laboratoryjnym, 30 metrów jest dość trudne ze względu na proces splątania, który obejmuje wykorzystanie niskoenergetycznych fotonów mikrofalowych, które można łatwo zgubić w morzu hałasu otoczenia. W praktyce oznacza to, że wszystko, co jest przyczepione do tych fotonów, musi pozostawać w tej samej temperaturze milikelwinów, co same kubity. Dlatego 30-metrowy drut aluminiowy, który służy jako falowód dla mikrofal, musi zostać schłodzony do ułamka stopnia powyżej zera bezwzględnego.

W praktyce oznaczało to oddanie całego zespołu zbudowanego w celu utrzymania chłodnego dostępu drutu do układów chłodzenia ciekłym helem, zawierających kubity na każdym końcu – i zbudowanie oddzielnego układu chłodzenia w centralnym punkcie 30-metrowej rury. System wymagał również elastycznych połączeń wewnętrznych i zewnętrznych wsporników, ponieważ całość kurczy się wykładniczo podczas stygnięcia.

Jednak wszystko udało się wyśmienicie. Dzięki wydajności kubitów naukowcy mogą przeprowadzić ponad milion pojedynczych eksperymentów w ciągu zaledwie 20 minut. Uzyskane korelacje okazały się przekraczać granicę wyznaczoną przez równania Bella o oszałamiające 22 odchylenia standardowe. Innymi słowy, wartość p wyniku była mniejsza niż 10^-108.

Rzeczy, które nadejdą?

Dwa główne czynniki ograniczające wydajność systemu to błędy w kubitach i utrata fotonów użytych w ich splątaniu. Naukowcy sądzą, że mogą udoskonalić oba, potencjalnie czyniąc kubity najbardziej rygorystycznym testem nierówności Bella. Ale praca może stać się ważniejsza ze względu na sposób splątania kubitów.

Każdy, kto pracuje z kubitami nadprzewodzącymi, mówi, że docelowo będziemy musieli połączyć ich tysiące w jeden komputer kwantowy. Niestety, każdy z tych kubitów wymaga dużo miejsca na chipie, co oznacza, że ​​trudno jest zrobić chipy z więcej niż kilkoma setkami. Tak więc główni gracze, tacy jak Google i IBM, planują ostatecznie połączyć wiele chipów z jednym komputerem (coś, co już robi start-up Rigetti).

Jednak na dziesiątki tysięcy bitów na pewno potrzebowalibyśmy tyle żetonów, że trudno byłoby je wszystkie pomieścić w jednym chłodniejszym bicie. Oznacza to, że ostatecznie będziemy chcieli podłączyć chipy do różnych systemów chłodzenia – dokładnie to, co pokazano tutaj. Jest to więc ważna demonstracja, że ​​w rzeczywistości możemy łączyć kubity w tego typu systemach.

Przyroda, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-05885-0 (o DOI).