Spooky Action Is Real: Bizarre Kwantumverstrengeling Bevestigd In Nieuwe Tests

{h1}

Wetenschappers komen dichterbij bij het op afstand bewijzen van spookachtige actie - het idee dat verstrengelde deeltjes onmiddellijk kunnen communiceren.

Het spijt me dat ik je moet breken, Einstein, maar het lijkt erop dat het universum één groot dobbelspel is.

Twee recente studies hebben bevestigd dat de 'spookachtige actie op afstand' die Albert Einstein zo overstuur maakt - het idee dat twee verstrengelde deeltjes die van elkaar zijn gescheiden over grote afstanden elkaar onmiddellijk kunnen beïnvloeden - bewezen is dat ze werken in een verbluffend aantal verschillende experimentele opstellingen.

Eén experiment sloot twee van de drie mazen in bewijzen van spookachtige actie op afstand. Een ander vond dat kwantumverstrengeling werkt op verbazingwekkend grote afstanden. En toekomstige tests zijn erop gericht de laatste maas in de wet zo klein mogelijk te maken. [8 manieren waarop je de relativiteitstheorie van Einstein in het echte leven kunt zien]

Over het algemeen bevestigt de nieuwe reeks tests eenvoudig wat natuurkundigen al lang vermoedden.

"Er is geen verborgen, meer fundamentele theorie onder de kwantummechanica," zei Ronald Hanson, een natuurkundige aan de Universiteit van Delft in Nederland en de hoofdonderzoeker in een van de nieuwe experimenten.

Maar hoewel de nieuwe tests geen nieuwe theoretische grond vormen, kunnen ze de weg vrijmaken voor quantum computing en perfect beveiligde communicatietechnologieën, zei Hanson.

Verstrikkerde deeltjes

In de jaren twintig en dertig begonnen natuurkundigen subatomaire deeltjes te bestuderen die hun hoofd krabden. Ze ontdekten dat de Schrödinger-golfvergelijking, de fundamentele kwantummechanische vergelijking, de individuele toestand of positie van sommige groepen deeltjes, de zogenaamde verstrengelde deeltjes, niet kon beschrijven tot elk individueel deeltje werd gemeten. Nadat elk deeltje was gemeten, "klapt de golffunctie in" en neemt het deeltje een definitieve toestand aan.

In een document uit 1935 schiepen Einstein en zijn collega's Boris Podolsky en Nathan Rosen een gedachte-experiment dat bekend staat als de EPR-paradox (na de initialen van hun achternaam) om enkele van de absurde implicaties van de golfvergelijking te laten zien. Volgens de regels van de kwantummechanica reizen verstrengelde deeltjes in een soort superpositie van al hun mogelijke toestanden. Maar nog vreemder, de golfvergelijking impliceerde dat eenmaal gemeten twee verstrengelde deeltjes op de een of andere manier direct konden communiceren, veel sneller dan de snelheid van het licht, om hun toestanden aan elkaar te koppelen. Als deze 'spookachtige actie op afstand' buiten beschouwing wordt gelaten, stelden Einstein en zijn collega's in plaats daarvan dat een verborgen variabele op de een of andere manier de toestanden van beide deeltjes moet beïnvloeden. [Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Findings]

Ongelijkheid en maas in de wet

Decennia lang waren fysici in het ongewisse, onzeker of de verborgen variabele van Einstein of de eenvoudige interpretatie van de Schrödinger-golfvergelijking juist was. Toen, in de jaren zestig, stelde natuurkundige John Stewart Bell een eenvoudige test voor, die Bell's Inequality wordt genoemd, om spookachtige actie op afstand te testen. Als spookachtige actie echt was, stelde Bell voor, dan zouden verstrengelde deeltjes gemeten op enige afstand van elkaar meer dan een bepaald percentage van de tijd gecorreleerd zijn met toestanden. En als een of andere verborgen variabele deze schijnbaar verstrengelde deeltjes zou beïnvloeden, dan zouden verstrengelde deeltjes minder dan een fractie van de tijd gecorreleerde toestanden hebben.

In honderden Bell-experimenten sindsdien hebben natuurkundigen ontdekt dat verstrengelde deeltjes lijken te hebben gecorreleerde staten bij sneller dan licht snelheden.

Maar al deze tests hebben op zijn minst een paar kanttekeningen, of mazen in de wet. Een daarvan is dat detectoren die worden gebruikt om verstrengelde deeltjes te meten, zoals fotonen, vaak veel van de deeltjesduo's missen. Experimenten analyseerden daarom de statistieken van slechts een klein deel van de fotonen, waardoor de mogelijkheid werd vergroot dat de niet-gedetecteerde fotonen het beeld zouden kunnen veranderen, zei Hanson.

Een andere maas in de wet is het idee dat de twee verstrengelde deeltjes misschien op de een of andere manier hun toestand met elkaar kunnen communiceren voordat ze worden gedetecteerd. De derde maas in de wet is het idee dat de willekeurige keuze van een verwarde staat helemaal niet willekeurig is, maar op de een of andere manier bevooroordeeld is op een manier die mensen niet waarnemen.

De mazen sluiten

Nu beginnen onderzoekers die mazen te dichten.

Bijvoorbeeld, de fysicus van de Universiteit van Wenen, Anton Zeilinger, en zijn collega's toonden aan dat verstrengelde deeltjes die zich op 143 kilometer van elkaar bevinden nog steeds werken zoals de kwantummechanica voorspelt. De test, beschreven in een paper die op 5 november in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences is gepubliceerd, is gebaseerd op een enorme detector die op de Canarische Eilanden van Spanje is opgezet. (Sommigen beweren dat de werkelijke fotonen in dit experiment slechts over een korte afstand verward zijn, en dat het experiment een demonstratie is van quantum teleportatie over lange afstanden, niet verstrengeling, zei Hanson.)

En slechts een paar weken daarvoor toonden Hanson en zijn collega's in een artikel dat op 23 oktober in het tijdschrift Nature (en oorspronkelijk in het open access, preprint-tijdschrift arXiv) werd gepubliceerd, aan dat de ongelijkheid van Bell zelfs geldt wanneer de eerste twee mazen tegelijk worden gesloten.

Om de mazen in de wet te dichten, gebruikten Hanson en zijn team een ​​nieuw materiaal: diamanten met een tekort aan stikstof, of een gat in de atoomatische matrix waar een atoom zou moeten zijn. Dat gat vangt extra elektronen op, die de deeltjes worden die verstrengeld raken. Het team gebruikte dus twee afzonderlijke diamantkristallen, gescheiden door bijna 1 mijl (1,6 km) over de universiteitscampus.

Om de elektronen te verstrengelen, wond het team de elektronen aan beide kanten van de campus op zo'n manier aan dat de spin - de minuscule staafmagnetische oriëntatie van het elektron - "omhoog" of "omlaag" was. Elk van de geëxciteerde elektronen gaf vervolgens een foton uit, en beide fotonen reisden ongeveer in het midden naar een straalsplitser en kwamen precies op hetzelfde moment aan. De straalsplitser heeft een even grote kans om beide fotonen te reflecteren of door te geven, waardoor het in wezen onmogelijk is om aan te geven aan welke kant van de campus de fotonen vandaan kwamen. Zodra de fotonen werden gedetecteerd aan de bundelsplitser, mat het team de elektronen aan beide kanten van de campus om te zien of hun spins gecorreleerd waren. En inderdaad, het team ontdekte dat de elektronencorrelatie hoog genoeg was om het idee van spookachtige actie op afstand te ondersteunen.

Het nieuwe resultaat sluit beide mazen in de wet omdat het detecteren van de beginspinstatus van de elektronen 100% van de tijd wordt gedetecteerd - ze zitten de hele tijd in de diamant, zei Hanson. Bovendien, de twee diamanten zijn voldoende ver uit elkaar dat er geen kans is voor de twee elektronen om te communiceren in de tijd die het kost om de meting te doen, voegde hij eraan toe.

Onafgemaakte zaken

Hanson's nieuwe resultaten sluiten de eerste twee mazen in de lucht goed, zei David Kaiser, een fysicus aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, die niet betrokken was bij een van de twee nieuwe experimenten.

Er is echter nog steeds een maas in de wet, zei hij.

Iedereen gebruikt een soort willekeurige nummergenerator om de toestand van een deeltje te bepalen, zei Kaiser. Maar wat als die willekeurige getallen niet echt willekeurig waren?

De derde maas in de wet stelt de vraag: "Heeft enig proces in het verleden van dit hele experiment de reeks vragen die zouden worden gesteld, scheefgetrokken of vertekend of op de een of andere manier scheefgetrokken?" Kaiser vertelde WordsSideKick.com.

Dus Kaiser en Zeilinger bedenken een test die, naar men zegt, die derde maas in de wet aanzienlijk zou verkleinen. Het team zou zijn willekeurige getallen afleiden uit stralende gebieden in de buurt van galactische centra, quasars genoemd, die zo ver weg zijn dat het licht van hen 11 miljard tot 12 miljard jaar heeft geduurd om de aarde te bereiken. Hoewel dat de maas in de wet niet volledig elimineert - de willekeurige getallen hadden immers kunnen worden opgetuigd bij de vurige geboorte van het universum - het komt er vrij dichtbij, zei Kaiser. [Beyond Higgs: 5 deeltjes die zich in het heelal kunnen bevinden]

Toch denkt niet iedereen dat setup in de buurt komt van het sluiten van de derde maas in de wet.

"Welke setup je ook maakt, je kunt gewoon niet bewijzen dat sommige signalen niet vooraf waren bepaald voordat je ze zag," zei Hanson. "Op het diepste fundamentele niveau kan deze maas in de wet niet worden gesloten."

Voorbij dat de starlight-methode ervan uitgaat dat het licht van de quasars niet had kunnen worden geknoeid met een aantal verborgen variabelen op zijn lange reis naar de aarde, Hanson toegevoegd. Hoewel dat een lang shot lijkt, lijkt het even paranoïde om te geloven dat een ander type generator van willekeurige nummers op de een of andere manier is opgetuigd, voegde hij eraan toe.

(Op 10 november publiceerden onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado een paper in het preprint-tijdschrift arXiv waarin ze beweerden dat ze kwantumverstrengeling hadden getoond met alle drie de mazen gesloten. Maar dat papier is nog niet onderworpen aan peer review, het standaardproces voor het beoordelen van wetenschappelijke claims, en het gebruikt in feite een vergelijkbare benadering en vergelijkbare willekeurige nummergeneratoren als die gebruikt in de experimenten van Hanson, dus het komt ook niet dichter bij het elimineren van die derde maas in de wet, Hanson zei.)

Lange termijn toepassingen

Op dit punt is het eerlijk om te vragen: Waarom besteden al deze bronnen het testen van een uitgangspunt dat bijna alle natuurkundigen geloven dat waar is?

Hanson, Kaiser, Zeilinger en anderen verwachten niet dat hun mazen zonder lekken het fundamentele begrip van subatomaire fysica veranderen. Integendeel, de langetermijntoepassingen kunnen meer te maken hebben met de toekomst van computergebruik. Kwantumcodering, die op een dag een perfect veilige versleutelingsmethode zou kunnen worden, vertrouwt op het begrip van de kwantummechanica zoals wetenschappers die vandaag kennen.

Het verlengen van de lengte waarover deeltjes verstrengeld kunnen raken, kan ook koele toepassingen hebben, zei Hanson.

"Veel mensen zeiden dat dit het einde van deze zeer lange geschiedenis gaat worden, maar ik ben meer enthousiast over het begin van het nieuwe veld," zei Hanson.

Volg Tia Ghose op tjilpenen Google+. Volgen WordsSideKick.com @wordssidekick, Facebook & Google+. Oorspronkelijk artikel op WordsSideKick.com.


Video Supplement: How Quantum Biology Might Explain Life’s Biggest Questions | Jim Al-Khalili | TED Talks.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com