Physicists show ion pairs perform enhanced 'spooky action'

Физики показали, что у ионных пар наблюдаются сильные корреляции

Добавкой к недавним демонстрациям где частицы света выполняют то, что когда-то Эйнштейн назвал “призрачное действие на расстоянии”, в котором два отдельных объекта имеют связь между собой, которая вообще говоря не является никак интуитивной. Физики из национального института стандартов и технологий (NIST) подтвердили предположение о том, что частицы материи могут взаимодействовать между собой подобно квантовым корреляциям тоже.

Команда NIST запутала в ловушке пару ионов бериллия (заряженных атомов), таким образом соединив их свойства, а затем разделила пару и выполнила одно из множества манипуляций над свойствами каждого иона перед их измерением. Было проведено несколько тысяч таких экспериментов, изменения свойств пары в некоторых случаях соответствовали теоретическим предсказаниям либо отличались друг от друга не чаще чем в повседневном опыте. Согласно данным статьи, результаты лежат в пределах доверительной вероятности 95%. Эксперимент был поставлен в рамках теории локального реализма. Эти сильные корреляции являются признаками квантовой запутанности. Более того, статистические расчеты показали, что именно ионные пары проявляют редко высокий уровень корреляций.

“Мы уверены, что ионы на 67% испытывают квантовые корреляции”, - сообщил Тин Рей Тан, ведущий автор новой публикации в Physical Review Letters об экспериментах. Эксперименты осуществлялись с помощью неравенств Белла, что означает, что они были построены из серии возможных наборов манипуляций на двух ионах. В отличие от предыдущих экспериментов, эти были усовершенствованными тестами Белла, в которых количество возможных манипуляций для каждого иона выбиралось случайным образом из набора по меньшей мере двух или целых 15 вариантов. Этот метод дает более точные статистические результаты, по сравнению с обычными тестами Белла. Это объясняется тем, что по мере роста числа вариантов для манипуляции каждым ионом вероятность того, что ионы ведут себя по классическим или не квантовым правилам, автоматически уменьшалась. Согласно классическим представлениям, все объекты должны обладать определенными «локальными» свойствами и могут влиять друг на друга только со скоростью света или медленнее. Тесты Белла давно используются, для того чтобы показать, как с помощью квантовой физики объекты могут нарушить одно или оба этих правила, демонстрируя то самое «призрачное» действие на расстоянии.

Обычные тесты Белла производят такой массив данных, который представляет собой смесь локальных и нелокальных действий. Совершенные системы из тестов Белла теоретически могут доказать, что существует нулевой шанс локального влияния. Результаты команды NIST составляют 33% вероятности локального влияния – значение меньше чем в обычных тестах Белла, хотя это и не самое низкое значение для подобного рода тестов, - уточнил Тан. Эксперименты группы NIST пробили новый рубеж, закрыв две из трех так называемых «лазеек», которые могли бы подорвать результаты, в которых проводились манипуляции с помощью трех и более вариантов манипулирования частицами. Результаты достаточно хороши для того чтобы вывести из них с высокой точностью запутанные состояния, используя при этом минимальные корректировки самого эксперимента, - редкое достижение, сообщил Тан.

В прошлом году другая группа исследователей и сотрудников NIST закрыла все три лазейки в обычных тестах Белла в экспериментах с манипуляциями света. Новые эксперименты с ионами снова подтверждают то, что «призрачное» действие реально.

“Конечно же я верил в квантовую механику перед этим экспериментом”, Тан сказал с усмешкой.

“Наша мотивация заключалась в том, что мы пытались использовать этот эксперимент для того чтобы продемонстрировать, насколько хороши наши технологии квантовых вычислений в ловушке ионов, и что мы можем с этим сделать”.

Исследователи использовали ту же самую установку для захвата ионов, что и в предыдущих квантовых вычислительных экспериментах. С помощью этого устройства, электродов и лазеров исследователи выполнили все основные этапы, необходимые для квантовых вычислений, включая подготовку и измерение квантовых состояний ионов; транспорт ионов между несколькими областями захвата; Также эксперимент включал в себя создание стабильных квантовых битов (кубитов), и проведение манипуляций над вращениями кубитов и создание надежных двухкубитных логических операций. Все эти методы были необходимы для проведения цепных тестов Белла. Ожидается, что в один прекрасный день квантовые компьютеры смогут решить проблемы, которые в настоящее время трудноразрешимы, такие как моделирование сверхпроводимости (поток электричества без сопротивления) и дешифрование самых популярных современных шифровальных кодов.

В проведенных группой NIST тестов Белла, количество настроек (вариантов для различных манипуляций перед измерением) колебалось от двух до 15. Манипуляции воздействовали на внутренние энергетические состояния ионов – их собственные моменты импульса или спины. Исследователи использовали лазеры для вращения спинов ионов под определенными углами перед окончательными измерениями. Ученые выполнили несколько тысяч прогонов для каждой настройки и собрали два набора данных через 6 месяцев. Измерения определяли спиновые состояния ионов. Всего было четыре возможных исхода эксперимента:

1. Оба иона вращаются вверх

2. Первый спин ионов и второй спин иона направлены вниз

3. Первый ионный спин направлен вниз и второй ионный спин направлен вверх

4. Оба иона имеют спин, направленный вниз

Вообще говоря, количество этих вариантов можно сократить до двух (сонаправлены спины и разнонаправлены). Исследователи измеряли состояния, основываясь на том, сколько ионов флуоресцировало или рассеивало яркий свет – светлые области обозначали спины вверх, а темные спины вниз. Эксперимент группы NIST закрыл лазейки обнаружения и утечек памяти о самом процессе, которые в противном случае позволили бы обычным классическим системам инициировать запутанные состояния. Обнаружение флуоресценции было почти на 100% эффективным, и результаты измерения каждого испытания в каждом эксперименте регистрировали и использовались для расчета результатов. Тем не менее не удалось обойти лазейку в локализации – точно установить будут ли установлены связи между ионами. Чтобы закрыть эту лазейку, нужно отделить ионы на таком большом расстоянии, что связь между ними была бы невозможна даже при скорости света. В эксперименте группы NIST ионы были расположены близко друг к другу (не более чем на расстоянии в 340 мкм), для того чтобы они оказались запутанными и их можно было бы в последствие измерить. Еще дополнение:

Лазейка детектирования:

Детекторы, которые измеряют состояния частиц могут не захватить с собой достаточное количество данных, которое показало бы что реально произошло между частицами.

Лазейка памяти:

Возникает, когда каждый процесс экспериментального измерения влияет на следующий или, когда сам метод получения экспериментальных данных меняется каждый раз изменяя тем самым сами результаты.

Пояснения к изображениям:

На изображении 54_1 показана инфографика, вкратце объясняющая суть эксперимента. Исследовательская группа NIST постаралась обойти все возможные лазейки в обработке данных и постановке серии экспериментов, таким образом удалось доказать, что ионы бериллия на 67% являются квантово-запутанными.

На изображении 54_2, FIG.1., (а) показана иллюстрация теста Белла для случая одного неравенства. Источник создает две запутанные системы: а и b, два иона Be_9_+. Далее настраиваются методы измерения и проводятся сами измерения. Каждая система на выходе маркируется B – светлая, или D – темная. (b) на этой области показана схема изменения методов измерения – то есть настройка на конкретный метод измерения. Настройка измерений может быть представлена как цепь, в которой связаны каждые элементы систем a и b с одинаковыми индексами и каждый элемент одной из систем с предыдущим элементом оставшейся системы. Эксперимент по белловскому тесту соответствует частному случаю для N = 2. Полный эксперимент включает в себя много испытаний с различным выбором параметров измерения.

На изображении 54_3, FIG. 2., показано расположение соответствующих сегментов электродов – ловушек ионов бериллия. Для каждого эксперимента один ион - b располагается в области Epsilon, а второй – a, располагается в области Epsilon’. Синие точки, изображающие ионы, накладываются на фотографию, на которой показаны электроды-ловушки (сделанные из золота). Перемещая ионы через область S, были проведены индивидуальные настройки методов получения экспериментальных данных и каждой ион измерялся последовательно – его состояние (см. статью 54). Расстояние в среднем между парами ионов составляло порядком 340 мкм, а дистанция между парами составляла намного больше, чем размер лазерных пучков – порядком 25 мкм.

На изображении 54_4, FIG.3., показаны экспериментально замеренные значения I_N_^ и I_N_A_^ как функций от N. Данные представлены черными и синими токами соответствующие различным состояниями ионов бериллия. Эти наборы данных были получены примерно за шесть месяцев. Разница между ними и более искаженными характеристиками в каждом наборе данных, вероятно, объясняется неспособностью воспроизводить точные экспериментальные данные. Оранжевым цветом показаны данные распределения состояния для пары магний-бор: Be_9_+ - Mg_25_+. Красная отметка соответствует практически точному значению для доверительной вероятности 95%. Серыми кружками отмечены наиболее маленькие значения I_N. В общем, I_N_^ характеристика становится более чувствительной к ошибкам и шуму при увеличении N – числа пар.

Источник: phys.org

Комментарии: