Gruselige Action ist Real: Bizarre Quantenverschränkung in neue Tests bestätigt
Tut mir leid, es, Sie zu brechen, Einstein, aber es sieht aus wie das Universum eine große Würfel-Spiel.
Zwei aktuelle Studien haben bestätigt, dass die "gespenstische Fernwirkung", die Albert Einstein so aufgeregt – die Vorstellung, dass zwei Teilchen, die durch große Entfernungen voneinander getrennt verstrickt kann sofort beeinflussen sich gegenseitig – ist nachgewiesen worden, um in eine beeindruckende Auswahl an unterschiedlichen Versuchsaufbauten zu arbeiten.
Ein Experiment geschlossen zwei der drei Lücken im Beweise der gespenstische Fernwirkung. Ein weiteres gefunden, dass Quantenverschränkung erstaunlich große Entfernungen funktioniert. Und zukünftige Tests konzentrieren sich auf das letzte Schlupfloch so gering wie möglich zu machen. [8 Möglichkeiten, die Sie Einsteins Relativitätstheorie im realen Leben sehen]
Alles in allem ist die neue Serie von Tests einfach zu bestätigen was Physiker schon lange vermutet haben.
"Es gibt keine versteckten, grundlegendere Theorie unter Quantenmechanik,", sagte Ronald Hanson, ein Physiker an der Universität Delft in den Niederlanden und der leitende Ermittler in eines der neuen Experimente.
Aber obwohl die neuen Tests nicht theoretische Neuland zu erkunden, sie könnte den Weg für Quanten-computing und vollkommen sichere Kommunikationstechnologien ebnen Hanson sagte.
Verschränkten Teilchen
In den 1920er und 1930er Jahren begann Physiker studieren subatomaren Teilchen am Kopf kratzen. Sie fanden heraus, dass die Schrödinger Wellengleichung, die grundlegende Quantenmechanik Gleichung nicht beschreiben könnte, der einzelne Staat oder Position einiger Gruppen von Teilchen, genannt verschränkte Teilchen, bis jedes einzelne Teilchen gemessen wurde. Nachdem jedes Partikel gemessen wurde, die Wellenfunktion "bricht", und nimmt die Partikel auf einen bestimmten Zustand.
In einem Papier 1935 erstellt Einstein und seine Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen ein Gedankenexperiment, bekannt als das EPR-Paradoxon (nach den Initialen ihrer Nachnamen), einige absurden Auswirkungen der Wellengleichung zu zeigen. Nach den Regeln der Quantenmechanik verstrickt sich Partikel Reisen in einer Art der Überlagerung von ihren möglichen Zustände. Aber noch seltsamer, die Wellengleichung impliziert, dass nachdem gemessen, zwei Teilchen verschränkten könnte irgendwie sofort zu kommunizieren, viel schneller als die Lichtgeschwindigkeit, ihre Staaten zu verbinden. Diskontierung dieser "gespenstische Fernwirkung", argumentiert Einstein und seine Kollegen stattdessen, dass einige verborgene Variable muss irgendwie Einfluss auf die Zustände der beiden Teilchen. [Verdreht Physik: 7 mind-blowing Ergebnisse]
Ungleichheit und Lücke
Jahrzehntelang waren die Physiker in der Schwebe, unsicher ob Einsteins verborgene Variable oder die einfache Interpretation der Schrödinger Welle Gleichung richtig war. Dann in den 1960er Jahren vorgeschlagen Physiker John Stewart Bell einen einfachen Test, bekannt als Bells Ungleichheit, gespenstische Fernwirkung zu testen. Gespenstische Aktion waren echte, Bell vorgeschlagen, wenn verschränkte Teilchen gemessen noch recht weit auseinander haben korreliert, Staaten, mehr als einen bestimmten Prozentsatz der Zeit. Und wenn einige verborgene Variable wurden diese scheinbar verschränkten Teilchen betrifft, dann verschränkte Teilchen würde haben korreliert Staaten weniger als diesen Bruchteil der Zeit.
In Hunderten von Bell ergaben Experimente seit dann, Physiker, dass verschränkte Teilchen scheinen Staaten Geschwindigkeiten schneller als Licht korreliert sind.
Aber alle diese Tests hatten wenigstens ein paar Vorbehalte oder Lücken. Eine ist die Detektoren zur Messung der verschränkter Teilchen wie Photonen oft viele der Partikel Duos verpassen. Daher Experimente waren Analyse der Statistiken auf nur ein kleiner Bruchteil der Photonen, Anhebung der Möglichkeit unentdeckten Photonen ändert sich das Bild, konnte, sagte Hanson.
Ein weiteres Schlupfloch ist die Idee, dass vielleicht die zwei verschränkten Teilchen irgendwie kommunizieren konnten ihren Zustand miteinander bevor sie entdeckt werden. Die dritte Lücke ist die Idee, dass die zufällige Wahl von einem verschränkten Zustand nicht zufällige überhaupt, aber irgendwie voreingenommen in einer Weise, die Menschen nicht wahrnehmen.
Schließen die Lücken
Forscher beginnen nun, diese Lücken zu schließen.
Zum Beispiel verstrickt Universität Wien Physiker Anton Zeilinger und seine Kollegen zeigten, dass Partikel, die 89 Meilen (143 km) voneinander entfernt noch zu handeln, wie die Quantenmechanik sagt voraus, dass sie würde. Der Test, beschrieben in einer Publikation in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences, 5 November stützt sich auf einen massiven Detektor auf den Kanarischen Inseln eingerichtet. • Einige argumentieren, dass die tatsächlichen Photonen in diesem Experiment nur über eine kurze Distanz verstrickt sind und das Experiment eine Demonstration der Fernverkehr Quantenteleportation, nicht Verstrickung ist, sagte Hanson.
Und nur wenige Wochen zuvor in einem Papier veröffentlicht in der Zeitschrift Nature (und ursprünglich in Open Access Journal ArXiv Preprint), Okt. 23 Hanson und seine Kollegen zeigten, dass Bells Ungleichheit auch mit den ersten beiden Lücken gleichzeitig geschlossen hält.
Um die Lücken zu schließen, Hanson und seinem Team verwendet ein neuartiges Material: Diamanten mit einem Stickstoff Vakanz defekt oder ein Loch in der atomaren Matrix, wo ein Atom sein sollte. Das Loch fallen zusätzliche Elektronen, die welche die Partikel, verfangen zu werden zu werden. So verwendet das Team zwei separate Diamantkristalle, getrennt durch fast 1 Meile (1,6 km) auf dem Campus der Universität.
Um die Elektronen zu verwickeln, das Team der Elektronen auf beiden Seiten des Campus so aufgeregt, dass der Spin — die winzige Bar-magnetlike Ausrichtung des Elektrons – war entweder nach "oben" oder "down". Jeweils die angeregten Elektronen emittiert dann ein Photon, und beide dieser Photonen gereist, um einen Strahlteiler ungefähr in der Mitte und kam genau zum gleichen Zeitpunkt. Der Strahlteiler hat die gleiche Chance entweder reflektiert oder beide Photonen übertragen, so dass es im Wesentlichen unmöglich zu sagen, welche Seite des Campus der Photonen kamen aus. Sobald die Photonen an den Strahlteiler erkannt wurden, gemessen das Team die Elektronen auf beiden Seiten des Campus zu sehen, ob ihre Spins korreliert waren. Sicher genug, fand das Team die Elektron-Korrelation hoch genug, um den Begriff der gespenstische Fernwirkung zu stärken.
Das neue Ergebnis schließt beide Lücken, weil erkennen die ersten Spin-Zustand der Elektronen erkannt wird 100 Prozent der Zeit – sie sitzen in der Diamant die ganze Zeit, sagte Hanson. Darüber hinaus die zwei Diamanten ausreichend weit voneinander entfernt sind, gibt es keine Chance für die zwei Elektronen in das zu kommunizieren, was es braucht, um die Messung zu tun, fügte er hinzu.
Unerledigte Aufgaben
Hansons neue Ergebnisse schön die ersten beiden Lücken zu schließen, sagte David Kaiser, Physiker am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, der nicht von den beiden neuen Experimenten beteiligt war.
Allerdings sagte gibt es noch eine Lücke links, er.
Jeder nutzt eine Art Zufallsgenerator entscheiden, ein Teilchen Zustand, Kaiser sagte. Aber was ist, wenn diese Zufallszahlen waren nicht wirklich zufällig?
Die dritte Lücke fragt: "Haben alle Prozesse in der Vergangenheit des gesamten Experiments schubsen oder bias oder irgendwie neigen den Satz von Fragen, die gestellt werden würde?" Kaiser erzählte Leben Wissenschaft.
Kaiser und Zeilinger entwickeln so einen Test, der sie sagen, diese dritte Lücke deutlich schrumpfen würde. Das Team würde ableiten die Zufallszahlen aus leuchtenden Regionen in der Nähe von galaktischen Zentren genannt Quasare, die so weit entfernt sind, dass das Licht von ihnen 11 Milliarden auf 12 Milliarden Jahre bis Erde getroffen hat. Während, die nicht vollständig das Schlupfloch eliminieren – immerhin die Zufallszahlen könnte haben wurden manipuliert bei der feurigen Geburt des Universums – es wird es ziemlich nahe, sagte Kaiser. [Über Higgs: 5 Partikel, die im Universum lauern können]
Noch, nicht jeder denkt, dass das Setup tatsächlich näher an die dritte Lücke schließen wird.
"Was auch immer Sie machen, Setup Sie nur nicht nachweisen können, dass einige Signale nicht vorgegeben waren, bevor Sie sie gesehen haben," sagte Hanson. "Auf der tiefsten grundlegenden Ebene kann diese Lücke geschlossen werden."
Darüber hinaus nimmt die Starlight-Methode, dass das Licht der Quasare mit durch einige versteckte Variablen auf dem langen Weg zur Erde, Durcheinander wurde konnte nicht Hanson hinzugefügt. Während das scheint wie eine totale, es scheint ebenso paranoid zu glauben, dass eine andere Art der Zufallszahlengenerator irgendwie manipuliert ist, fügte er hinzu.
(Am 10. November, Forscher am National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado ein Papier veröffentlicht in den Vorabdruck Zeitschrift ArXiv behauptet, dass sie mit allen drei Lücken geschlossen Quantenverschränkung gezeigt hatte. Jedoch sagte, dass Papier noch nicht unter Peer-Review, den Standardprozess wurde für wissenschaftliche Ansprüche, Sicherheitsüberprüfung und es tatsächlich nutzt einen ähnlichen Ansatz und ähnliche Zufallszahlengeneratoren verwendet in Hansons Experimente, damit es geht auch nicht näher zur Beseitigung dieses dritten Schlupfloch Hanson.)
Langfristige Anwendungen
An dieser Stelle ist es fair zu Fragen: Warum all diese Ressourcen testen eine Prämisse, die fast alle Physiker glauben gilt zu verbringen?
Hanson, Kaiser und Zeilinger erwarten Sie nicht, ihre Lücke-kostenlose Tests, das grundlegende Verständnis der subatomaren Physik zu ändern. Vielmehr können die langfristige Anwendungen mehr mit der Zukunft des Computings zu tun haben. Quanten-Verschlüsselung, die eines Tages eine vollkommen sichere Methode der Verschlüsselung werden könnten, stützt sich auf das Verständnis der Quantenmechanik, wie Wissenschaftler es heute kennen.
Verlängerung der Länge über die Teilchen verschränkt werden können auch coole Anwendungen haben könnte, sagte Hanson.
"Viele Leute gesagt das wird das Ende dieser sehr langen Geschichte sein, aber ich bin mehr aufgeregt über den Beginn des neuen Feldes", sagte Hanson.
Folgen Sie Tia Ghose auf Twitter und Google + . Folgen Sie Leben-Wissenschaft @livescience , Facebook & Google + .