I ricercatori hanno creato coppie di fotoni entangled e hanno distribuito i due fotoni di ciascuna coppia a due stazioni di misurazione in direzioni opposte. Ad ogni stazione di misura, un telescopio ha ricevuto i fotoni dalla sorgente di radiazione cosmica selezionata, che dista almeno 11 anni luce dalla Terra. I segnali di rilevamento di fotoni cosmici generano bit casuali per le scelte di impostazione della misurazione per il test Bell senza lacune. In questo esperimento, i ricercatori hanno chiuso le scappatoie di rilevamento e località, e ha spinto il vincolo di tempo per escludere i modelli di variabili nascoste locali a 11 anni prima dell'esperimento. Credito:Ming-Han Li, USTC, Shanghai
In un nuovo studio, i ricercatori dimostrano tattiche creative per sbarazzarsi di scappatoie che hanno a lungo confuso i test della meccanica quantistica. Con il loro metodo innovativo, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare le interazioni quantistiche tra due particelle distanziate di più di 180 metri (590 piedi) eliminando la possibilità che eventi condivisi negli ultimi 11 anni abbiano influenzato la loro interazione.
Un documento che spiega questi risultati sarà presentato alla conferenza Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), tenutosi dal 15 al 19 settembre a Washington, DC, STATI UNITI D'AMERICA.
I fenomeni quantistici vengono esplorati per applicazioni nel campo dell'informatica, crittografia, rilevamento e altro ancora, ma i ricercatori non hanno ancora compreso appieno la fisica dietro di loro. Il nuovo lavoro potrebbe aiutare a far progredire le applicazioni quantistiche migliorando le tecniche per sondare la meccanica quantistica.
Un test per le teorie quantistiche
I fisici sono da tempo alle prese con idee diverse sulle forze che governano il nostro mondo. Mentre le teorie della meccanica quantistica hanno gradualmente superato la meccanica classica, molti aspetti della meccanica quantistica rimangono misteriosi. Negli anni Sessanta, il fisico John Bell ha proposto un modo per testare la meccanica quantistica nota come disuguaglianza di Bell.
L'idea è che due parti, soprannominati Alice e Bob, effettuare misurazioni su particelle che si trovano distanti ma collegate tra loro tramite entanglement quantistico.
Se il mondo fosse davvero governato esclusivamente dalla meccanica quantistica, queste particelle remote sarebbero governate da una correlazione non locale attraverso interazioni quantistiche, tale che la misurazione dello stato di una particella influenza lo stato dell'altra. Però, alcune teorie alternative suggeriscono che le particelle sembrano solo influenzarsi a vicenda, ma che in realtà sono collegati da altre variabili nascoste seguendo il classico, piuttosto che quantistico, fisica.
I ricercatori hanno condotto molti esperimenti per testare la disuguaglianza di Bell. Però, gli esperimenti non possono essere sempre perfetti, e ci sono scappatoie note che potrebbero causare risultati fuorvianti. Mentre la maggior parte degli esperimenti ha fortemente sostenuto la conclusione che esistono interazioni quantistiche, queste scappatoie lasciano ancora una remota possibilità che i ricercatori possano inavvertitamente influenzare variabili nascoste, lasciando quindi spazio al dubbio.
Chiudere le scappatoie
Nel nuovo studio, Li e i suoi colleghi dimostrano come chiudere queste scappatoie e aggiungono prove che la meccanica quantistica governa le interazioni tra le due particelle.
"Abbiamo realizzato un test Bell senza scappatoie con le impostazioni di misurazione determinate da fotoni cosmici remoti. Abbiamo quindi verificato la completezza della meccanica quantistica con probabilità ad alta confidenza, ", ha affermato Ming-Han Li dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, chi è l'autore principale della carta.
La loro configurazione sperimentale include tre componenti principali:un dispositivo che invia periodicamente coppie di fotoni entangled e due stazioni che misurano i fotoni. Queste stazioni sono Alice e Bob, nel gergo della disuguaglianza di Bell. La prima stazione di misurazione è a 93 metri (305 piedi) dalla sorgente della coppia di fotoni e la seconda stazione è a 90 metri (295 piedi) nella direzione opposta.
I fotoni entangled viaggiano attraverso la fibra ottica monomodale fino alle stazioni di misura, dove il loro stato di polarizzazione viene misurato con una cella di Pockels e i fotoni vengono rilevati da rivelatori a singolo fotone a nanofili superconduttori.
Nel progettare il loro esperimento, i ricercatori hanno cercato di superare tre problemi chiave:l'idea che la perdita e il rumore rendano il rilevamento inaffidabile (la scappatoia di rilevamento), l'idea che qualsiasi comunicazione che influenzi le scelte di misurazione di Alice e Bob rende la misurazione imbrogliabile (la scappatoia della località), e l'idea che una scelta di misurazione non "veramente libera e casuale" renda il risultato controllabile da una causa nascosta nel passato comune (la scappatoia della libertà di scelta).
Per affrontare il primo problema, Li e i suoi colleghi hanno dimostrato che la loro configurazione ha raggiunto un livello sufficientemente basso di perdita e rumore confrontando le misurazioni effettuate all'inizio e alla fine del viaggio del fotone. Per affrontare il secondo, hanno costruito il setup sperimentale con una separazione spaziale tra gli eventi della scelta dell'impostazione di misurazione. Per affrontare il terzo, hanno basato le loro scelte di misurazione sul comportamento dei fotoni cosmici di 11 anni prima, il che offre un'elevata sicurezza che nulla nel passato condiviso delle particelle, almeno negli ultimi 11 anni, abbia creato una variabile nascosta che influenzasse il risultato.
Combinando previsioni calcolate teoricamente con risultati sperimentali, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare le interazioni quantistiche tra le coppie di fotoni entangled con un alto grado di fiducia e fedeltà. Il loro esperimento fornisce quindi solide prove che gli effetti quantistici, piuttosto che variabili nascoste, sono dietro il comportamento delle particelle.
