Kwantumverstrengeling blijft een van de meest uitdagende studiegebieden voor moderne natuurkundigen. Door Einstein beschreven als 'spookachtige actie op afstand', hebben wetenschappers lang geprobeerd te verzoenen hoe dit aspect van de kwantummechanica naast de klassieke mechanica kan bestaan. In wezen is het feit dat twee deeltjes over grote afstanden kunnen worden verbonden in strijd met de regels van plaats en realisme.
Formeel is dit een schending van Bell's Ineqaulity, een theorie die al decennia wordt gebruikt om te laten zien dat plaats en realisme geldig zijn, ondanks dat ze niet in overeenstemming zijn met de kwantummechanica. In een recent onderzoek heeft een team van onderzoekers van de Ludwig-Maximilian Universiteit (LMU) en het Max Planck Institute for Quantum Optics in München echter tests uitgevoerd die opnieuw de ongelijkheid van Bell schenden en het bestaan van verstrengeling bewijzen.
Hun studie, getiteld "Event-Ready Bell Test Using Entangled Atoms Simultaneous Closing Detection and Locality Loopholes", werd onlangs gepubliceerd in de Fysieke beoordelingsbrieven. Onder leiding van Wenjamin Rosenfeld, een fysicus bij LMU en het Max Planck Institute for Quantum Optics, probeerde het team de ongelijkheid van Bell te testen door twee deeltjes op afstand te verstrikken.
Bell's Inequality (genoemd naar de Ierse natuurkundige John Bell, die het in 1964 voorstelde) stelt in wezen dat eigenschappen van objecten bestaan onafhankelijk van waarneming (realisme), en dat geen informatie of fysieke invloed sneller kan voortplanten dan de lichtsnelheid (plaats). Deze regels beschreven perfect de realiteit die wij mensen dagelijks ervaren, waar dingen geworteld zijn in een bepaalde ruimte en tijd en onafhankelijk van een waarnemer bestaan.
Op kwantumniveau lijken de zaken deze regels echter niet te volgen. Niet alleen kunnen deeltjes over grote afstanden (d.w.z. verstrengeling) op niet-lokale manieren worden verbonden, maar de eigenschappen van deze deeltjes kunnen pas worden bepaald nadat ze zijn gemeten. En hoewel alle experimenten hebben bevestigd dat de voorspellingen van de kwantummechanica correct zijn, zijn sommige wetenschappers blijven beweren dat er mazen in de wet zijn die plaatselijk realisme mogelijk maken.
Om dit aan te pakken, heeft het team van München een experiment uitgevoerd met twee laboratoria bij LMU. Terwijl het eerste lab zich bevond in de kelder van de natuurkunde-afdeling, bevond het tweede zich in de kelder van de economische afdeling - ongeveer 400 meter verderop. In beide laboratoria legden teams een enkel rubidiumatoom vast in een actuele val en begonnen ze vervolgens te prikkelen totdat ze een enkel foton vrijgaven.
Zoals Dr. Wenjamin Rosenfeld uitlegde in een Max Planck Institute persbericht:
“Onze twee observatorstations worden onafhankelijk bediend en zijn uitgerust met hun eigen laser- en controlesystemen. Vanwege de afstand van 400 meter tussen de laboratoria, zou de communicatie van de ene naar de andere 1328 nanoseconden duren, wat veel meer is dan de duur van het meetproces. In het andere lab kan dus geen informatie over de meting worden gebruikt. Zo sluiten we de maas in de wijk. "
Toen de twee rubidiumatomen eenmaal waren opgewekt tot het punt dat ze een foton vrijgaven, waren de spintoestanden van de rubidiumatomen en de polarisatietoestanden van de fotonen effectief verstrengeld. De fotonen werden vervolgens gekoppeld in optische vezels en naar een opstelling geleid waar ze tot interferentie werden gebracht. Na acht dagen een meetrun te hebben uitgevoerd, konden de wetenschappers ongeveer 10.000 gebeurtenissen verzamelen om te controleren op verstrengeling van tekens.
Dit zou zijn aangegeven door de spins van de twee opgesloten rubidiumatomen, die in dezelfde richting zouden wijzen (of in de tegenovergestelde richting, afhankelijk van het soort verstrengeling). Wat het team van München ontdekte, was dat voor de overgrote meerderheid van de gebeurtenissen de atomen in dezelfde staat (of in de tegenovergestelde staat) waren en dat er slechts zes afwijkingen waren die consistent waren met Bell's Inequality.
Deze resultaten waren ook statistisch significanter dan die van een team van Nederlandse natuurkundigen in 2015. Terwille van dat onderzoek heeft het Nederlandse team experimenten uitgevoerd met elektronen in diamanten in labs die 1,3 km uit elkaar lagen. Uiteindelijk toonden hun resultaten (en andere recente tests van Bell's Inequality) aan dat kwantumverstrengeling echt is, waardoor de maas in het lokale realisme effectief wordt gesloten.
Zoals Wenjamin Rosenfeld uitlegde, gingen de tests van zijn team ook verder dan deze andere experimenten door een ander groot probleem aan te pakken. "We waren in staat om de spintoestand van de atomen zeer snel en zeer efficiënt te bepalen", zei hij. “Daarmee sloten we een tweede potentiële maas in de wet: de veronderstelling dat de waargenomen schending wordt veroorzaakt door een onvolledig monster van gedetecteerde atoomparen”.
Door bewijs te verkrijgen van de schending van Bell's Inequality, helpen wetenschappers niet alleen om een blijvende ongerijmdheid tussen klassieke en kwantumfysica op te lossen. Ze openen ook de deur naar enkele opwindende mogelijkheden. Zo anticiperen wetenschappers al jaren op de ontwikkeling van kwantumprocessors, die afhankelijk zijn van verstrengelingen om de nullen en enen van binaire code te simuleren.
Computers die vertrouwen op kwantummechanica zouden exponentieel sneller zijn dan conventionele microprocessors en zouden een nieuw tijdperk van onderzoek en ontwikkeling inluiden. Dezelfde principes zijn voorgesteld voor cyberbeveiliging, waarbij kwantumversleuteling zou worden gebruikt om informatie te versleutelen, waardoor het onkwetsbaar wordt voor hackers die op conventionele computers vertrouwen.
Last but not least is er het concept van Quantum Entanglement Communications, een methode waarmee we informatie sneller dan de lichtsnelheid kunnen verzenden. Stel je de mogelijkheden voor ruimtevaart en verkenning voor als we niet langer gebonden zijn aan de grenzen van relativistische communicatie!
Einstein had het bij het verkeerde eind toen hij kwantumverstrengelingen als 'spookachtige actie' typeerde. Veel van de implicaties van dit fenomeen zijn inderdaad nog steeds even beangstigend als fascinerend voor natuurkundigen. Maar hoe dichter we het gaan begrijpen, hoe dichter we zullen zijn bij het ontwikkelen van een begrip van hoe alle bekende fysieke krachten van het universum in elkaar passen - oftewel. een theorie van alles!
