Эксперимент в Цюрихе подтвердил квантовую механику и открыл новые возможности для криптографии

Группа ученых под руководством Андреаса Валрафа, профессора твердотельной физики в Цюрихском политехническом институте (ETH Zurich), провела безупречный тест Белла , чтобы опровергнуть концепцию "локальной причинности", сформулированную Альбертом Эйнштейном в ответ на квантовую механику.

Ученые показали, что квантово-механические объекты, находящиеся на большом расстоянии друг от друга, могут быть гораздо сильнее скоррелированы между собой, чем это возможно в обычных системах. Тем самым они подтвердили правильность квантовой механики. Особенность этого эксперимента заключается в том, что ученые впервые смогли провести его с использованием сверхпроводящих цепей, которые считаются перспективными кандидатами для создания мощных квантовых компьютеров.

Старый спор

Тест Белла основан на экспериментальной установке, которая изначально была придумана как мысленный эксперимент британским физиком Джоном Беллом в 1960-х годах. Белл хотел разрешить вопрос, который великие физики уже спорили в 1930-х годах: правильны ли прогнозы квантовой механики, которые полностью противоречат здравому смыслу, или же в атомном микромире действуют обычные концепции причинности, как считал Альберт Эйнштейн?

Для ответа на этот вопрос Белл предложил провести случайное измерение на двух запутанных частицах одновременно и проверить его на соответствие неравенству Белла. Если концепция Эйнштейна о локальной причинности верна, эти эксперименты всегда будут удовлетворять неравенству Белла. В то же время квантовая механика предсказывает, что они будут его нарушать.

Развеяли последние сомнения

В начале 1970-х годов Джон Фрэнсис Клоузер, который был удостоен Нобелевской премии по физике в прошлом году, и Стюарт Фридман провели первый практический тест Белла. В своих экспериментах два исследователя смогли доказать, что неравенство Белла действительно нарушается. Но они должны были сделать определенные предположения в своих экспериментах, чтобы иметь возможность провести их вообще. Таким образом, теоретически Эйнштейн все еще мог быть прав, скептически относясь к квантовой механике.

Со временем, однако, все больше и больше этих лазеек было закрыто. Наконец, в 2015 году различным группам удалось провести первые действительно безупречные тесты Белла, тем самым окончательно разрешив старый спор.

Перспективные приложения

Группа Валрафа теперь может подтвердить эти результаты новым экспериментом. Работа исследователей ETH, опубликованная в журнале Nature, показывает, что исследования по этой теме не закончены, несмотря на первоначальное подтверждение семь лет назад. Для этого есть несколько причин.

Во-первых, эксперимент ETH подтверждает, что сверхпроводящие цепи также действуют в соответствии с законами квантовой механики, хотя они гораздо больше, чем микроскопические квантовые объекты, такие как фотоны или ионы. Электронные цепи размером несколько сотен микрометров из сверхпроводящих материалов и работающие на микроволновых частотах называются макроскопическими квантовыми объектами.

Во-вторых, тесты Белла также имеют практическое значение. “Модифицированные тесты Белла могут быть использованы в криптографии, например, чтобы продемонстрировать, что информация действительно передается в зашифрованном виде”, объясняет Симон Шторц, аспирант группы Валрафа. “С нашим подходом мы можем доказать гораздо эффективнее, чем это возможно в других экспериментальных установках, что неравенство Белла нарушается. Это делает его особенно интересным для практических приложений.”

Поиск компромисса

Для этого ученым нужна сложная испытательная установка. Потому что для того, чтобы тест Белла был действительно безупречным, они должны обеспечить, чтобы никакая информация не могла быть обменена между двумя запутанными цепями до завершения квантовых измерений. Поскольку самая быстрая скорость передачи информации — это скорость света, измерение должно занимать меньше времени, чем требуется световой частице для прохождения от одной цепи к другой.

Поэтому при создании эксперимента важно найти компромисс: чем больше расстояние между двумя сверхпроводящими цепями, тем больше времени доступно для измерения - и тем сложнее становится экспериментальная установка. Это связано с тем, что весь эксперимент должен проводиться в вакууме около абсолютного нуля (-273.15°C).

Исследователи ETH определили минимальное расстояние для проведения успешного безупречного теста Белла около 33 метров, так как световой частице требуется около 110 наносекунд, чтобы пройти это расстояние в вакууме. Это на несколько наносекунд больше, чем занимало у исследователей проведение эксперимента.

Тридцатиметровый вакуум

Группа Валрафа построила впечатляющую установку в подземных подвалах кампуса ETH. На каждом из ее двух концов находится криостат, содержащий сверхпроводящую цепь. Эти два охлаждающих аппарата соединены 30-метровой трубой, внутренняя часть которой охлаждена до температуры чуть выше абсолютного нуля.

Перед началом каждого измерения микроволновый фотон передается от одной из двух сверхпроводящих цепей к другой, так что две цепи становятся запутанными. Генераторы случайных чисел затем решают, какие измерения делаются на двух цепях в рамках теста Белла. Затем результаты измерений по обе стороны сравниваются.

Крупномасштабная запутанность

После анализа более чем одного миллиона измерений ученые показали с очень высокой статистической достоверностью, что неравенство Белла нарушается в этой экспериментальной установке. Другими словами, они подтвердили, что квантовая механика также позволяет не-локальные корреляции в макроскопических электрических цепях и следовательно, что сверхпроводящие цепи могут быть запутаны на большом расстоянии. Это открывает интересные возможные приложения в области распределенных квантовых вычислений и квантовой криптографии.

Построение установки и проведение теста было вызовом, говорит Валраф. Просто охлаждение всей экспериментальной установки до температуры близкой к абсолютному нулю требует значительных усилий.

“В нашей машине есть 1.3 тонны меди и 14 000 винтов, а также большое количество знаний по физике и инженерному делу”, говорит Валраф. Он считает, что в принципе возможно построить установки, которые преодолевают еще большие расстояния таким же образом. Эта технология может быть использована, например, для соединения сверхпроводящих квантовых компьютеров на больших расстояниях.

Это первый безупречный тест Белла, проведенный с использованием сверхпроводящих цепей, которые являются макроскопическими степенями свободы. Ранее такие тесты были выполнены с использованием спинов в центрах азота-вакансии, оптических фотонов и нейтральных атомов. Эксперимент ETH подтверждает, что сверхпроводящие цепи также подчиняются законам квантовой механики несмотря на то, что они гораздо больше, чем микроскопические квантовые объекты. Это важно для развития квантовых технологий на основе сверхпроводящих цепей.

Кроме того, эксперимент ETH демонстрирует высокую эффективность нарушения неравенства Белла с использованием сверхпроводящих цепей. Ученые провели более 1 миллиона экспериментальных испытаний и нашли среднее значение S равное 2.0747 ± 0.0033, нарушающее неравенство Белла с P-значением меньше 10 −108. Это делает сверхпроводящие цепи особенно интересными для практических приложений в области квантовой криптографии, так как они позволяют доказать, что информация передается в зашифрованном виде с помощью модифицированных тестов Белла .

Эксперимент Белла - это физический эксперимент, который проверяет теорию квантовой механики в отношении концепции локальной причинности Альберта Эйнштейна. Названный в честь Джона Стюарта Белла, эксперименты проверяют, удовлетворяет ли реальный мир локальной причинности, которая требует наличия некоторых дополнительных локальных переменных (называемых “скрытыми”, потому что они не являются частью квантовой теории), чтобы объяснить поведение частиц, таких как фотоны и электроны. По состоянию на сегодняшний день все тесты Белла показали, что гипотеза о локальных скрытых переменных несовместима с тем, как ведут себя физические системы.

Согласно теореме Белла, если природа действительно действует в соответствии с любой теорией локальных скрытых переменных, то результаты теста Белла будут ограничены определенным, количественным образом. Если провести эксперимент Белла и результаты не будут так ограничены, то предполагаемые локальные скрытые переменные не могут существовать. Такие результаты поддерживают позицию, что нет способа объяснить явления квантовой механики в терминах более фундаментального описания природы, которое больше соответствует правилам классической физики.

Многие типы тестов Белла были проведены в физических лабораториях, часто с целью улучшения проблем дизайна или установки эксперимента, которые в принципе могут повлиять на достоверность результатов более ранних тестов Белла. Это называется “закрытием лазеек в тестах Белла”. Тесты Белла также используются в некоторых протоколах квантовой криптографии, где присутствие шпиона обнаруживается, когда неравенства Белла перестают нарушаться.

“Эксперимент ETH является важным достижением в области квантовой физики и технологий. Он не только подтверждает нарушение неравенства Белла без каких-либо дополнительных предположений, что означает, что локальная причинность не справедлива для квантовых систем, но и демонстрирует, что сверхпроводящие цепи могут быть использованы для реализации запутанных состояний на больших расстояниях.”, рассказал Александр Антипов, главный редактор SecurityLab.ru. "Исследование открывает новые возможности для развития квантовых компьютеров и криптографии, которые могут использовать запутанность как ресурс для обработки и передачи информации. Эксперимент ETH также показывает высокий уровень технологического мастерства и инноваций, необходимых для создания сложной установки, работающей при очень низких температурах и высоких частотах."