Почти идеальный эксперимент по проверке реальности

Ученые подтвердили "странность" квантовой механики, поставив (почти) идеальный эксперимент по проверке неравенства Белла!

Еще в 1935 году в своей знаменитой статье Альберт Эйнштейн поставил мысленный эксперимент с так называемым взаимодействием на расстоянии двух квантовых частиц, поставив под сомнение полноту квантовой механики и ее способность адекватно описывать реальность. Через почти 30 лет другой известный физик Джон Белл доказал, что ни одна другая теория, основанная на локальности и реализме не может воспроизвести все предсказания квантовой механики.

Более того, он вывел специальное неравенство (названное позже его именем), которое позволяло проверить, насколько хорошо реальность описывается классическими теориями (с непременными локальностью и реализмом). Квантовая механика, наоборот, должна была эта неравенство нарушать, поэтому проверить неравенство Белла означало для физиков выяснить правоту одной из самых фундаментальных своих теорий.

За прошедшие десятилетия были поставлены десятки экспериментов такого рода, использовавших разные физические системы, однако во всех из них были найдены лазейки, позволявшие предположить существование классического объяснения наблюдаемых результатов. Новая работа физиков из Университета Делфта позволяет отбросить большую часть из них.

Схема нового эксперимента по проверке неравенства Белла. Источник: http://arxiv.org/pdf/1508.05949v1.pdf

Схема нового эксперимента по проверке неравенства Белла. Источник: http://arxiv.org/pdf/1508.05949v1.pdf

Первая лазейка (locality loophole) - расстояние между запутанными квантовыми частицами (в качестве которых использовались спины электронов в алмазе - так нызываемые NV-центры). Чтобы устранить ее, ученые разнесли частицы на расстояние в 1.28 км друг от друга, так что любому сигналу понадобилось бы целых 4,27 микросекунды, чтобы долететь от одной частицы до другой, даже если бы он распространялся со скоростью света.

Далее нужно было связать (или запутать) разнесенные на такое расстояние электроны, для чего ученые прибегли к стандартным носителям сигналов на большие расстояния - фотонам в оптоволокне. Запутав каждый электрон с отдельным фотоном, они посылали их на промежуточную станцию, где прилетающие фотоны становились запутанными между собой и, таким "удаленным" образом, связывали изначальные электроны. (см. картинку со схемой эксперимента)

Теперь нужно было закрыть вторую лазейку - неточное считывание состояния электронов, которое могло скрыть существующие между ними корреляции (detection loophole). Чтобы избежать этого исследователи охлаждали образцы с NV-центрами почти до абсолютного нуля, где могли с легкостью ими манипулировать с помощью микроволн и оптического излучения и измерять их квантовое состояние с точностью 95%.

Устранив обе эти лазейки исследователи увидели явное нарушение неравенства Белла, в очередной раз свидетельствующее против теории скрытых параметров Эйнштейна в пользу квантовой механики. Несмотря на то, что на место устраненных лазеек всегда могут придти новые, продемонстрированная экспериментальная схема уже может быть использована для реализации независимого квантового разделения ключей, квантовых сертификатов безопасности и полномасштабных квантовых коммуникаций на их основе.