Kvantide takerdumine on tänapäevaste füüsikute jaoks endiselt üks väljakutseid pakkuvamaid valdkondi. Kirjeldatud Einsteini poolt kui "õudset tegevust kaugelt", on teadlased juba pikka aega püüdnud ühitada seda, kuidas kvantmehaanika see aspekt saaks eksisteerida koos klassikalise mehaanikaga. Põhimõtteliselt rikub asjaolu, et kahte osakest saab ühendada suurte vahemaade taha, lokaalsuse ja realismi reegleid.
Formaalselt on see Bell’i Ineqaulity rikkumine - teooria, mida on aastakümneid kasutatud selleks, et näidata, et paikkond ja realism on kehtivad, hoolimata sellest, et need on kvantmehaanikaga vastuolus. Kuid hiljutises uuringus viis Ludwig-Maximilian University (LMU) ja Müncheni Max Plancki Kvantoptika Instituudi teadlaste meeskond teste, mis jällegi rikuvad Belli ebavõrdsust ja tõestavad takerdumise olemasolu.
Nende uurimus pealkirjaga “Sündmusteks valmis kella test, kasutades takerdunud aatomeid samaaegselt sulgemistuvastust ja paikkonnalünki” avaldati hiljuti ajakirjas Füüsilise ülevaate kirjad. LMU ja Max Plancki Kvantoptika Instituudi füüsiku Wenjamin Rosenfeldi juhtimisel püüdis meeskond testida Belli ebavõrdsust, haarates kaks osakest kaugele.
Belli ebavõrdsus (nimetatud 1964. aastal selle välja pakkunud iiri füüsiku John Belli järgi) väidab sisuliselt, et objektide omadused eksisteerivad sõltumata jälgimisest (realism) ning ükski teave ega füüsiline mõju ei saa levida kiiremini kui valguse kiirus (paikkond). Need reeglid kirjeldasid suurepäraselt reaalsust, mida inimesed igapäevaselt kogevad, kus asjad on juurdunud konkreetsesse ruumi ja aega ning eksisteerivad vaatlejast sõltumatult.
Kvantitasandil ei paista aga asjad nende reeglite järgi olevat. Osakesi saab mitte ainult lokaalselt ühendada suurte vahemaade tagant (s.o takerdumisega), vaid nende osakeste omadusi ei saa enne nende mõõtmist määratleda. Ja kuigi kõik katsed on kinnitanud, et kvantmehaanika ennustused on õiged, on mõned teadlased jätkuvalt väitnud, et on olemas lünki, mis võimaldavad kohalikku realismi.
Selle lahendamiseks viis Müncheni meeskond läbi eksperimendi, kasutades kahte LMU laborit. Kui esimene labor asus füüsikaosakonna keldris, siis teine asus majandusosakonna keldris - umbes 400 meetri kaugusel. Mõlemas laboris püüdsid meeskonnad ühe rubiidiumi aatomi aktuaalsesse lõksu ja hakkasid neid siis põnevaks, kuni nad eraldasid ühe footoni.
Nagu dr Wenjamin Rosenfeld Max Plancki instituudi pressiteates selgitas:
„Meie kahte vaatlusjaama juhitakse iseseisvalt ja nad on varustatud oma laser- ja juhtimissüsteemidega. Kuna laborite vaheline kaugus on 400 meetrit, kuluks omavaheliseks suhtlemiseks 1328 nanosekundit, mis on palju rohkem kui mõõtmisprotsessi kestus. Seega ei saa ühes laboris mõõtmise kohta teavet kasutada teises laboris. Nii suleme paikkonna lünga. ”
Kui kaks rubiidiumi aatomit ergastati footoni vabastamise punktini, olid rubiidiumi aatomite spinne olekud ja footonite polarisatsiooniseisud tõhusalt takerdunud. Seejärel ühendati footonid optilisteks kiududeks ja juhiti ülesse, kus neid segati. Pärast kaheksa päeva kestnud mõõtmistsüklit suutsid teadlased koguda umbes 10 000 sündmust, et kontrollida märkide takerdumist.
Sellele oleks osutunud kahe lõksus oleva rubiidiumi aatomi keerutused, mis oleksid suunatud samas suunas (või vastupidises suunas, sõltuvalt takerdumise liigist). Müncheni meeskond leidis, et valdava enamuse sündmuste korral olid aatomid samas olekus (või vastupidises olekus) ja Belli ebavõrdsusega kooskõlas oli vaid kuus kõrvalekallet.
Need tulemused olid ka statistiliselt olulisemad kui need, mis saadi Hollandi füüsikute meeskonnalt 2015. aastal. Selle uuringu huvides viis Hollandi meeskond katseid elektronide abil teemantidesse laborites, mis asusid üksteisest 1,3 km kaugusel. Lõppkokkuvõttes näitasid nende tulemused (ja muud hiljutised Belli ebavõrdsuse testid), et kvantitegimine on reaalne, sulgedes tõhusalt kohaliku realismi lünga.
Nagu Wenjamin Rosenfeld selgitas, läksid tema meeskonna läbi viidud testid ka nendest teistest katsetest kaugemale, käsitledes veel ühte suurt küsimust. "Suutsime aatomite spinni olekut väga kiiresti ja väga tõhusalt kindlaks teha," ütles ta. "Sellega sulgesime teise võimaliku lünga: eelduse, et täheldatud rikkumise põhjustab avastatud aatomipaaride mittetäielik proov".
Tõenditega Belli ebavõrdsuse rikkumise kohta ei aita teadlased mitte ainult lahendada kestvat vastuolu klassikalise ja kvantfüüsika vahel. Samuti avavad nad ukse põnevatele võimalustele. Näiteks on teadlane aastaid oodanud kvantprotsessorite väljatöötamist, mis tuginevad nullide ja kahendkoodide simuleerimiseks takerdumistele.
Kvantmehaanikale tuginevad arvutid oleksid eksponentsiaalselt kiiremad kui tavalised mikroprotsessorid ja käivitaksid uue uurimis- ja arenduse ajajärgu. Samad põhimõtted on välja pakutud ka küberturvalisuse jaoks, kus kvantkrüpteerimist kasutataks teabe küberseadmiseks, muutes selle haavamatuks häkkeritele, kes toetuvad tavapärastele arvutitele.
Viimaseks, kuid kindlasti mitte vähem oluliseks, on ka kontseptsioon Quantum Entanglement Communications - meetod, mis võimaldaks meil edastada teavet kiiremini kui valguse kiirus. Kujutage ette kosmosereisi ja uurimise võimalusi, kui meid ei seo enam relativistliku suhtluse piirid!
Einstein ei eksinud, kui ta kirjeldas kvant takerdumisi kui "õudset tegevust". Tõepoolest, suur osa selle nähtuse tagajärgedest on endiselt sama hirmutav kui füüsikute jaoks põnev. Kuid mida lähemale selle mõistmisele jõuame, seda lähemale jõuame arusaamisele, kuidas kõik universumi teadaolevad füüsilised jõud omavahel kokku sobivad - aka. kõige teooria!
