Aggiungendo alle forti dimostrazioni recenti che le particelle di luce svolgono ciò che Einstein chiamava "azione spettrale a distanza, "in cui due oggetti separati possono avere una connessione che supera l'esperienza quotidiana, i fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno confermato che anche le particelle di materia possono agire in modo davvero spettrale.

Il team del NIST ha impigliato una coppia di ioni di berillio (atomi carichi) in una trappola, collegando così le loro proprietà, e poi ha separato la coppia ed eseguito una di una serie di possibili manipolazioni sulle proprietà di ogni ione prima di misurarle. Attraverso migliaia di corse, i risultati della misurazione della coppia in alcuni casi corrispondevano, o in altri casi differivano, più spesso di quanto l'esperienza quotidiana possa prevedere. Queste forti correlazioni sono caratteristiche dell'entanglement quantistico.

Cosa c'è di più, calcoli statistici hanno scoperto che le coppie di ioni mostravano un raro alto livello di inquietudine.

"Siamo fiduciosi che gli ioni siano spettrali per il 67 percento, " disse Ting Rei Tan, autore principale di un nuovo Lettere di revisione fisica carta sugli esperimenti.

Gli esperimenti erano test di Bell "concatenati", il che significa che sono stati costruiti da una serie di possibili insiemi di manipolazioni su due ioni. A differenza degli esperimenti precedenti, questi erano test Bell migliorati in cui il numero di possibili manipolazioni per ogni ione veniva scelto casualmente da gruppi di almeno due e fino a 15 scelte.

Questo metodo produce risultati statistici più forti rispetto ai test Bell convenzionali. Questo perché con l'aumentare del numero di opzioni per la manipolazione di ogni ione, diminuisce automaticamente la possibilità che gli ioni si comportino in modo classico, o non quantistico, regole. Secondo le regole classiche, tutti gli oggetti devono avere proprietà "locali" definite e possono influenzarsi reciprocamente solo alla velocità della luce o più lentamente. I test Bell sono stati a lungo utilizzati per dimostrare che attraverso la fisica quantistica, gli oggetti possono infrangere una o entrambe queste regole, dimostrando un'azione spettrale.

I test Bell convenzionali producono dati che sono un misto di azione locale e spettrale. I test Bell concatenati perfetti possono, in teoria, dimostrare che c'è zero possibilità di influenza locale. I risultati del NIST sono scesi a una probabilità del 33% di influenza locale, inferiore a quella che i test Bell convenzionali possono ottenere, sebbene non sia il più basso mai riportato per un test concatenato, ha detto Tan.

Però, l'esperimento del NIST ha aperto nuove strade chiudendo due delle tre "scappatoie" che potrebbero minare i risultati, l'unico test di Bell concatenato per farlo usando tre o più opzioni per manipolare le particelle di materiale. I risultati sono abbastanza buoni da dedurre l'alta qualità degli stati entangled utilizzando ipotesi minime sull'esperimento, un risultato raro, ha detto Tan.

L'anno scorso, un gruppo diverso di ricercatori e collaboratori del NIST ha chiuso tutte e tre le scappatoie nei test convenzionali di Bell con particelle di luce. I nuovi esperimenti sugli ioni confermano ancora una volta che l'azione spettrale è reale.

"In realtà, Credevo nella meccanica quantistica prima di questo esperimento, " ha detto Tan con una risatina. "La nostra motivazione era che stavamo cercando di usare questo esperimento per mostrare quanto sia buona la nostra tecnologia di calcolo quantistico di ioni intrappolati, e cosa possiamo fare con esso."

I ricercatori hanno utilizzato la stessa configurazione della trappola ionica dei precedenti esperimenti di calcolo quantistico. Con questo apparato, i ricercatori utilizzano elettrodi e laser per eseguire tutti i passaggi di base necessari per l'informatica quantistica, compresa la preparazione e la misurazione degli stati quantistici degli ioni; trasporto di ioni tra più zone di trappola; e creare bit quantici stabili (qubit), rotazioni di qubit, e operazioni logiche a due qubit affidabili. Tutte queste caratteristiche erano necessarie per condurre i test Bell concatenati. Ci si aspetta che un giorno i computer quantistici risolvano problemi attualmente intrattabili come la simulazione della superconduttività (il flusso di elettricità senza resistenza) e la violazione dei codici di crittografia dei dati più popolari di oggi.

Nei test Bell concatenati del NIST, il numero di impostazioni (opzioni per diverse manipolazioni prima della misurazione) variava da due a 15. Le manipolazioni agivano sugli stati energetici interni degli ioni chiamati "spin up" o "spin down". I ricercatori hanno utilizzato i laser per ruotare gli spin degli ioni di angoli specifici prima delle misurazioni finali.

I ricercatori hanno eseguito diverse migliaia di analisi per ciascuna impostazione e raccolto due set di dati a distanza di 6 mesi. Le misurazioni hanno determinato gli stati di spin degli ioni. C'erano quattro possibili risultati finali:(1) entrambi gli ioni girano, (2) il primo ione aumenta e il secondo ioni diminuisce, (3) il primo ione si abbassa e il secondo ione si alza, o (4) entrambi gli ioni si riducono. I ricercatori hanno misurato gli stati in base alla quantità di fluorescenza degli ioni o alla diffusione della luce:la luminosità aumenta e l'oscurità diminuisce.

L'esperimento del NIST ha chiuso le scappatoie di rilevamento e memoria, che altrimenti potrebbe consentire ai sistemi classici ordinari di apparire spettrali.

La scappatoia di rilevamento viene aperta se i rilevatori sono inefficienti e viene utilizzato un sottoinsieme dei dati per rappresentare l'intero set di dati. I test NIST hanno colmato questa scappatoia perché il rilevamento della fluorescenza era efficiente quasi al 100%, e i risultati delle misurazioni di ogni prova in ogni esperimento sono stati registrati e utilizzati per calcolare i risultati.

La scappatoia della memoria si apre se si assume che gli esiti delle prove siano identicamente distribuiti o che non ci siano derive sperimentali. I precedenti test di Bell incatenato si sono basati su questa ipotesi, ma il test del NIST è stato in grado di farlo cadere. Il team del NIST ha colmato la lacuna della memoria eseguendo migliaia di prove extra per molte ore con l'insieme di sei possibili impostazioni, utilizzando un'impostazione scelta casualmente per ogni prova e sviluppando una tecnica di analisi statistica più robusta.

Gli esperimenti del NIST non hanno chiuso la scappatoia della località, che è aperto se è possibile comunicare la scelta delle impostazioni tra gli ioni. Per chiudere questa scappatoia, bisognerebbe separare gli ioni da una distanza così grande che la comunicazione tra loro sarebbe impossibile, anche alla velocità della luce. Nell'esperimento NIST, gli ioni dovevano essere posizionati vicini tra loro (al massimo, 340 micrometri di distanza) da impigliare e successivamente misurare, Tan ha spiegato.