Тест Белла

«Эксперимент Белла» перенаправляется сюда. Чтобы узнать об эксперименте по физике элементарных частиц KEK, см. эксперимент Belle .

Тест Белла , также известный как тест неравенства Белла или эксперимент Белла , представляет собой реальный физический эксперимент, предназначенный для проверки теории квантовой механики в отношении Альберта Эйнштейна концепции локального реализма . Названные в честь Джона Стюарта Белла , эксперименты проверяют, удовлетворяет ли реальный мир локальному реализму, который требует присутствия некоторых дополнительных локальных переменных (называемых «скрытыми», потому что они не являются особенностью квантовой теории) для объяснения поведения частиц, таких как фотоны и электроны . Тест эмпирически оценивает последствия теоремы Белла . По состоянию на 2015 год Все тесты Белла показали, что гипотеза о локальных скрытых переменных несовместима с поведением физических систем.

Многие типы тестов Белла проводились в физических лабораториях, часто с целью решения проблем, связанных с планированием или постановкой эксперимента, которые в принципе могли повлиять на достоверность результатов более ранних тестов Белла . Это известно как «закрытие лазеек в тестах Белла ».

Нарушения неравенства Белла также используются в некоторых квантовой криптографии протоколах , благодаря чему присутствие шпиона обнаруживается, когда неравенства Белла перестают нарушаться.

Обзор

Основная статья: теорема Белла

Тест Белла берет свое начало в дебатах между Эйнштейном и другими пионерами квантовой физики, в первую очередь Нильсом Бором . Одной из особенностей обсуждаемой теории квантовой механики было значение принципа неопределенности Гейзенберга . Этот принцип гласит, что если о данной частице известна некоторая информация, то о ней существует некоторая другая информация, которую невозможно узнать. Примером этого являются наблюдения за положением и импульсом данной частицы. Согласно принципу неопределенности, импульс частицы и ее положение не могут быть одновременно определены со сколь угодно высокой точностью.

В 1935 году Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен опубликовали заявление о том, что квантовая механика предсказывает, что о паре запутанных частиц можно наблюдать больше информации, чем позволяет принцип Гейзенберга, что было бы возможно только в том случае, если бы информация перемещалась между двумя частицами мгновенно. Это порождает парадокс стал известен как « парадокс ЭПР , который в честь трех авторов ». Оно возникает, если какой-либо эффект, ощущаемый в одном месте, не является результатом причины, которая произошла в прошлом относительно этого места. Такое действие на расстоянии нарушило бы теорию относительности , поскольку позволило бы информации между двумя точками перемещаться со скоростью, превышающей скорость света.

На основании этого авторы пришли к выводу, что квантовая волновая функция не дает полного описания реальности. Они предположили, что должны действовать какие-то локальные скрытые переменные, чтобы объяснить поведение запутанных частиц. В теории скрытых переменных, какой ее представлял Эйнштейн, случайность и неопределенность, наблюдаемые в поведении квантовых частиц, будут только кажущимися. Например, если бы знать подробности всех скрытых переменных, связанных с частицей, то можно было бы предсказать как ее положение, так и импульс. Неопределенность, которая была количественно определена принципом Гейзенберга, была бы просто артефактом отсутствия полной информации о скрытых переменных. Более того, Эйнштейн утверждал, что скрытые переменные должны подчиняться условию локальности: какими бы ни были скрытые переменные на самом деле, поведение скрытых переменных для одной частицы не должно мгновенно влиять на поведение скрытых переменных для другой частицы, находящейся далеко. Эта идея, названная Принцип локальности основан на интуиции классической физики о том, что физические взаимодействия не распространяются мгновенно в пространстве. Эти идеи были предметом постоянных дебатов между их сторонниками. В частности, сам Эйнштейн не одобрял постановку задачи Подольским в знаменитой статье ЭПР.

В 1964 году Джон Стюарт Белл предложил свою знаменитую теорему, которая утверждает, что никакая физическая теория скрытых локальных переменных никогда не сможет воспроизвести все предсказания квантовой механики. В теореме неявно заложено положение о том, что детерминизм классической физики принципиально неспособен описать квантовую механику. Белл расширил теорему, чтобы обеспечить то, что станет концептуальной основой тестовых экспериментов Белла.

Типичный эксперимент включает наблюдение частиц, часто фотонов, в аппарате, предназначенном для создания запутанных пар и позволяющем измерить некоторые характеристики каждой из них, например, их спин . Результаты эксперимента затем можно было бы сравнить с тем, что было предсказано локальным реализмом и с предсказаниями квантовой механики.

Теоретически результаты могут «случайно» совпадать с обоими. Чтобы решить эту проблему, Белл предложил математическое описание локального реализма, которое наложило статистический предел на вероятность такого события. Если результаты эксперимента нарушают неравенство Белла, локальные скрытые переменные можно исключить как их причину. Более поздние исследователи опирались на работу Белла, предлагая новые неравенства, которые служат той же цели и тем или иным образом уточняют основную идею. Следовательно, термин «неравенство Белла» может означать любое из множества неравенств, которым удовлетворяют теории локальных скрытых переменных; на практике во многих современных экспериментах используется неравенство CHSH . Все эти неравенства, как и оригинальное, предложенное Беллом, выражают идею о том, что предположение о локальном реализме накладывает ограничения на статистические результаты экспериментов над наборами частиц, принявших участие во взаимодействии, а затем разделившихся.

На сегодняшний день все тесты Белла подтвердили теорию квантовой физики, а не гипотезу локальных скрытых переменных. Эти усилия по экспериментальной проверке нарушений неравенств Белла привели к тому, что Джон Клаузер , Ален Аспект и Антон Цайлингер были удостоены Нобелевской премии по физике 2022 года .

Проведение оптических

На практике в большинстве реальных экспериментов использовался свет, который, как предполагалось, излучался в форме фотонов, подобных частицам (создаваемых атомным каскадом или спонтанным параметрическим преобразованием с понижением частоты ), а не атомами, которые первоначально имел в виду Белл. В наиболее известных экспериментах интересующим свойством является направление поляризации , хотя можно использовать и другие свойства. Такие эксперименты делятся на два класса в зависимости от того, имеют ли используемые анализаторы один или два выходных канала.

двухканальный)

Основная статья: неравенство CHSH

Схема «двухканального» теста Белла
Источник S производит пары «фотонов», посланных в противоположных направлениях. Каждый фотон сталкивается с двухканальным поляризатором, ориентацию которого может задавать экспериментатор. Появляющиеся сигналы из каждого канала обнаруживаются и совпадения подсчитываются монитором совпадений CM.

На диаграмме показан типичный оптический эксперимент двухканального типа, Ален Аспект в 1982 году. прецедент которого установил Совпадения (одновременные обнаружения) записываются, результаты классифицируются как «++», «+-», «-+» или «--», и соответствующие подсчеты накапливаются.

Проводятся четыре отдельных подэксперимента, соответствующие четырем членам E ( a , b ) в тестовой статистике S (уравнение (2), показанное ниже). Настройки a , a ', b и b ' на практике обычно выбираются равными 0, 45°, 22,5° и 67,5° соответственно — «углы теста Белла» — это те углы, для которых квантовомеханическая формула дает наибольшую величину. нарушение неравенства.

Для каждого выбранного значения a и b количество совпадений в каждой категории ( N ₊₊ , N ₋₋ , N ₊₋ и N ₋₊ записывается ). Экспериментальная оценка E ( a , b ) затем рассчитывается как:

$E={\frac {N_{++}-N_{+-}-N_{-+}+N_{--}}{N_{++}+N_{+-}+N_{-+}+N_{--}}}$ ( 1 )

После того, как все четыре E оценены, проводится экспериментальная оценка тестовой статистики.

$S=E(a,b)-E\left(a,b'\right)+E\left(a',b\right)+E\left(a',b'\right).$ ( 2 )

можно найти. Если S численно больше 2, это нарушает неравенство CHSH. Заявлено, что эксперимент подтвердил предсказание КМ и исключил все локальные теории скрытых переменных.

Однако для оправдания использования выражения (2) пришлось сделать сильное предположение, а именно, что выборка обнаруженных пар является репрезентативной для пар, излучаемых источником. Отрицание этого предположения называется лазейкой в ​​справедливой выборке .

одноканальный

Настройка для «одноканального» теста Белла
Источник S производит пары «фотонов», посланных в противоположных направлениях. Каждый фотон сталкивается с одноканальным поляризатором (например, «кучей тарелок»), ориентацию которого может задавать экспериментатор. Появляющиеся сигналы обнаруживаются и совпадения подсчитываются монитором совпадений CM.

До 1982 года во всех реальных тестах Белла использовались «одноканальные» поляризаторы и вариации неравенства, разработанные для этой установки. Последний описан в широко цитируемой статье Клаузера, Хорна, Шимони и Холта 1969 года как подходящий для практического использования. Как и в случае с тестом CHSH, существует четыре подэксперимента, в которых каждый поляризатор принимает одну из двух возможных настроек, но, кроме того, есть и другие подэксперименты, в которых тот или иной поляризатор или оба отсутствуют. Подсчеты проводятся, как и раньше, и используются для оценки статистики теста.

$S={\frac {N(a,b)-N(a,b')+N(a',b)+N(a',b')-N(a',\infty )-N(\infty ,b)}{N(\infty ,\infty )}},$ ( 3 )

где символ ∞ указывает на отсутствие поляризатора.

Если S превышает 0, то объявляется, что эксперимент нарушил неравенство CH и, следовательно, опроверг локальные скрытые переменные. Это неравенство известно как неравенство CH вместо CHSH, поскольку оно также было получено в статье Клаузера и Хорна в 1974 году более строго и при более слабых предположениях.

предположения

Помимо теоретических предположений, есть и практические. Например, помимо интересных совпадений может быть еще ряд «случайных совпадений». Предполагается, что при вычитании их оценочного количества перед вычислением S не возникает никакой систематической ошибки , но некоторые не считают, что это действительно так. Могут возникнуть проблемы с синхронизацией — неоднозначность распознавания пар, поскольку на практике они не будут обнаружены точно в одно и то же время.

Тем не менее, несмотря на все недостатки реальных экспериментов, выявляется один поразительный факт: результаты в очень хорошем приближении соответствуют предсказаниям квантовой механики. Если несовершенные эксперименты дают нам такое превосходное совпадение с квантовыми предсказаниями, большинство работающих квантовых физиков согласятся с Джоном Беллом , ожидая, что даже после проведения идеального теста Белла неравенства Белла все равно будут нарушаться. Такое отношение привело к появлению новой области физики, известной как квантовая теория информации . Одним из главных достижений этой новой области физики является показ того, что нарушение неравенств Белла приводит к возможности безопасной передачи информации, которая использует так называемую квантовую криптографию (с использованием запутанных состояний пар частиц).

эксперименты

За последние полвека было проведено большое количество тестовых экспериментов Белла. Эксперименты обычно интерпретируются как исключение локальных теорий скрытых переменных, и в 2015 году был проведен эксперимент, который не подвержен ни лазейкам локальности, ни лазейкам обнаружения (Hensen et al. ). Эксперимент без лазейки в отношении локальности — это эксперимент, в котором для каждого отдельного измерения и в каждом крыле эксперимента выбирается новая настройка и измерение завершается до того, как сигналы смогут передать настройки из одного крыла эксперимента в другое. Эксперимент без лазейки для обнаружения — это эксперимент, в котором почти 100% успешных результатов измерений в одном крыле эксперимента сочетаются с успешными измерениями в другом крыле. Этот процент называется эффективностью эксперимента. Развитие технологий привело к появлению большого разнообразия методов проверки неравенств типа Белла.

Некоторые из наиболее известных и недавних экспериментов включают в себя:

Касдай, Ульман и Ву (1970)

Леонард Ральф Кэсдей , Джек Р. Ульман и Чиен-Шиунг Ву провели первый экспериментальный тест Белла, используя пары фотонов, образующихся в результате распада позитрония и анализируемых с помощью комптоновского рассеяния . В ходе эксперимента наблюдались корреляции поляризации фотонов, согласующиеся с квантовыми предсказаниями и несовместимые с локальными реалистичными моделями, которые подчиняются известной поляризационной зависимости комптоновского рассеяния. Благодаря низкой поляризационной селективности комптоновского рассеяния результаты не нарушили неравенство Белла.

Фридман и Клаузер

Стюарт Дж. Фридман и Джон Клаузер провели первый тест Белла, который обнаружил нарушение неравенства Белла, используя неравенство Фридмана, вариант неравенства CH74 .

Аспект и др. (1982)

Основная статья: Эксперимент Аспекта

Ален Аспект и его команда в Орсе, Париж, провели три теста Белла с использованием источников кальциевого каскада. Первый и последний использовали неравенство CH74 . Второе было первым применением неравенства CHSH . Третий (и самый известный) был устроен так, что выбор между двумя настройками с каждой стороны производился во время полета фотонов (как первоначально предполагал Джон Белл ).

Титтель и др. (

Тестовые эксперименты Bell в Женеве в 1998 году показали, что расстояние не разрушает «запутывания». Перед анализом свет передавался по оптоволоконным кабелям на расстояния в несколько километров. Как и почти во всех тестах Bell, начиная с 1985 года, использовался источник «параметрического понижающего преобразования» (PDC).

Вейс и др. : эксперимент в условиях «строгой эйнштейновской

В 1998 году Грегор Вейс и группа из Инсбрука под руководством Антона Цайлингера провели эксперимент, который закрыл лазейку в «локальности», улучшив эксперимент Аспекта 1982 года. Выбор детектора был сделан с использованием квантового процесса, чтобы гарантировать его случайность. Этот тест нарушил неравенство CHSH более чем на 30 стандартных отклонений, причем кривые совпадения совпали с предсказаниями квантовой теории.

Пан и др. эксперимент по состоянию GHZ

Это первый из новых экспериментов типа Белла с более чем двумя частицами; здесь используется так называемое GHZ . состояние трех частиц

Роу и др. лазейку в

Лазейка для обнаружения была впервые закрыта в эксперименте с двумя запутанными захваченными ионами, проведенном в группе хранения ионов Дэвида Вайнленда в Национальном институте стандартов и технологий в Боулдере. В ходе эксперимента эффективность обнаружения превысила 90%.

Го и др. (Коллаборация Belle): Наблюдение нарушения неравенства Белла в

Используя полулептонные B0-распады Υ(4S) в эксперименте Белля, наблюдается явное нарушение неравенства Белла в корреляции частица-античастица.

Грёблахер и др. реалистических теорий типа Леггетта

особый класс нелокальных теорий, предложенных Энтони Леггеттом Исключается . На основании этого авторы приходят к выводу, что любая возможная нелокальная теория скрытых переменных, совместимая с квантовой механикой, должна быть в высшей степени нелогичной.

Саларт и др. в тесте Белла

Этот эксперимент заполнил лазейку, обеспечив расстояние между детекторами в 18 км, что достаточно для завершения измерений квантового состояния до того, как какая-либо информация сможет пройти между двумя детекторами.

Ансманн и др. (2009): преодоление лазейки обнаружения

Это был первый эксперимент по проверке неравенств Белла с твердотельными кубитами ( сверхпроводящие фазовые кубиты Джозефсона использовались ). Этот эксперимент преодолел лазейку обнаружения, используя пару сверхпроводящих кубитов в запутанном состоянии. Однако эксперимент по-прежнему страдал из-за лазейки в отношении локальности, поскольку кубиты были разделены всего несколькими миллиметрами.

Джустина и др. лазейки в обнаружении

Лазейка для обнаружения фотонов была впервые закрыта Мариссой Джустиной с использованием высокоэффективных детекторов . Это делает фотоны первой системой, для которой закрыты все основные лазейки, хотя и в разных экспериментах.

Кристенсен и др. ): преодоление лазейки в

Кристенсен и др. (2013) эксперимент аналогичен эксперименту Giustina et al. Джустина и др. сделал всего четыре длительных прогона с постоянными настройками измерения (по одному на каждую из четырех пар настроек). Эксперимент не был импульсным, поэтому формирование «пар» из двух записей результатов измерений (Алисы и Боба) пришлось проводить после эксперимента, что фактически подвергает эксперимент лазейке совпадений. Это привело к повторному анализу экспериментальных данных таким образом, чтобы устранить лазейку совпадений, и, к счастью, новый анализ все же показал нарушение соответствующего неравенства CHSH или CH. С другой стороны, Кристенсен и др. эксперимент был импульсным, и настройки измерений часто сбрасывались случайным образом, но только один раз на каждые 1000 пар частиц, а не каждый раз.

Хенсен и др., Джустина и др., Шалм и др. лазеек

В 2015 году первые три теста Белла без существенных лазеек были опубликованы в течение трех месяцев независимыми группами в Делфте, Вене и Боулдере. Все три теста одновременно затрагивали лазейку обнаружения, лазейку локальности и лазейку памяти. Это делает их «безлазеек» в том смысле, что все оставшиеся мыслимые лазейки, такие как супердетерминизм, требуют поистине экзотических гипотез, которые, возможно, никогда не будут закрыты экспериментально.

Первый опубликованный эксперимент Hensen et al. использовал фотонную связь, чтобы запутать электронные спины двух дефектных центров азотных вакансий в алмазах на расстоянии 1,3 километра друг от друга, и измерил нарушение неравенства CHSH ( S = 2,42 ± 0,20). Таким образом, гипотеза локального реализма может быть отвергнута при p значении 0,039.

Оба одновременно опубликовали эксперименты Джустины и соавт. и Шалм и др. использовали запутанные фотоны, чтобы получить нарушение неравенства Белла с высокой статистической значимостью (значение p ≪10 ⁻⁶ ). Примечательно, что эксперимент Шалма и др. также объединили три типа генераторов (квази)случайных чисел для определения выбора основы измерения. Одним из таких методов, подробно описанным во вспомогательном файле, является «Культурный» псевдослучайный источник, включающий использование битовых строк из популярных медиа, таких как «Назад в будущее» фильмы , «Звездный путь: За последней границей» , «Монти Пайтон» и «Святой». Грааль и телевизионные шоу «Спасенные колоколом» и «Доктор Кто» .

Шмид и др. 2016): Обнаружение корреляций Белла в системе

Используя свидетельство корреляций Белла, полученных из многочастного неравенства Белла, физики из Базельского университета впервые смогли сделать вывод о корреляции Белла в системе многих тел, состоящей примерно из 480 атомов в конденсате Бозе-Эйнштейна. Хотя лазейки не были закрыты, этот эксперимент показывает возможность наблюдения корреляций Белла в макроскопическом режиме.

Хандштейнер и др. Испытание космического колокола» - настройки измерений по звездам

Физики под руководством Дэвида Кайзера из Массачусетского технологического института и Антона Цайлингера из Института квантовой оптики и квантовой информации и Венского университета провели эксперимент, который «дал результаты, соответствующие нелокальности», измеряя звездный свет, которому потребовалось 600 лет, чтобы добраться до Земли. . Эксперимент «представляет собой первый эксперимент, резко ограничивший область пространства-времени, в которой могут иметь значение скрытые переменные».

Розенфельд и др. (2017): Тест Белла «Готов к событию» с запутанными атомами и закрытыми лазейками для

Физики из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана и Института квантовой оптики Макса Планка опубликовали результаты эксперимента, в котором они наблюдали нарушение неравенства Белла с использованием запутанных спиновых состояний двух атомов с расстоянием разделения 398 метров, в котором лазейка для обнаружения, лазейка в локальности и лазейка в памяти были закрыты. Нарушение S = 2,221 ± 0,033 отвергло локальный реализм со значением значимости P = 1,02×10. ⁻¹⁶ при учете данных за 7 месяцев и 55 000 событий или верхней границы P = 2,57×10 ⁻⁹ из одного прогона с 10000 событий.

Сотрудничество BIG Bell Test (2018): «Бросая вызов местному реализму с помощью человеческого выбора»

Международная совместная научная работа использовала произвольный человеческий выбор для определения настроек измерения вместо использования генераторов случайных чисел. Если предположить, что свободная воля человека существует, это закроет «лазейку в свободе выбора». Было набрано около 100 000 участников, чтобы обеспечить достаточную информацию для того, чтобы эксперимент стал статистически значимым.

далеких квазаров

В 2018 году международная группа использовала свет двух квазаров (один из которых возник примерно восемь миллиардов лет назад, а другой — примерно двенадцать миллиардов лет назад) в качестве основы для своих измерений. Этот эксперимент сместил временные рамки, когда настройки могли быть взаимно определены, по крайней мере, до 7,8 миллиардов лет назад, что составляет значительную часть супердетерминированного предела (то есть создания Вселенной 13,8 миллиардов лет назад).

2019 года » на канале PBS Nova Эпизод «Квантовая загадка Эйнштейна документирует это измерение «космического теста Белла» с кадрами научной группы, находящейся на высокогорной обсерватории Тейде, расположенной на Канарских островах .

без лазеек в

В 2023 году международная группа под руководством группы Андреаса Вальраффа из ETH Zurich продемонстрировала беспрецедентное нарушение неравенства CHSH со сверхпроводящими цепями, детерминированно запутанными через криогенную связь, охватывающую расстояние 30 метров.

Лазейки

Хотя серия все более сложных тестовых экспериментов Белла убедила физическое сообщество в том, что локальные теории скрытых переменных несостоятельны; их никогда нельзя исключить полностью. Например, нельзя исключить (поскольку она нефальсифицируема) гипотезу супердетерминизма , в которой все эксперименты и результаты (и все остальное) предопределены.

До 2015 года результат всех экспериментов, нарушающих неравенство Белла, все еще можно было теоретически объяснить, используя лазейку обнаружения и/или лазейку локальности. Лазейка локальности (или связи) означает, что, поскольку на практике два обнаружения разделены временным интервалом , первое обнаружение может влиять на второе посредством какого-то сигнала. Чтобы избежать этой лазейки, экспериментатор должен убедиться, что частицы перемещаются далеко друг от друга перед измерением и что процесс измерения является быстрым. Более серьезной является лазейка в обнаружении (или несправедливом отборе проб), поскольку частицы не всегда обнаруживаются в обоих частях эксперимента. Можно представить, что полный набор частиц будет вести себя случайным образом, но инструменты обнаруживают только подвыборку, показывающую квантовые корреляции , позволяя обнаружению зависеть от комбинации локальных скрытых переменных и настроек детектора.

Экспериментаторы неоднократно заявляли, что в ближайшем будущем можно ожидать испытаний без лазеек. В 2015 году было зарегистрировано нарушение Белла без лазеек с использованием запутанных ромбовидных вращений на расстоянии 1,3 километра (1300 м). и подтверждено двумя экспериментами с использованием запутанных пар фотонов.

Остальные возможные теории, подчиняющиеся локальному реализму, могут быть дополнительно ограничены путем тестирования различных пространственных конфигураций, методов определения параметров измерения и записывающих устройств. Было высказано предположение, что использование людей для создания параметров измерения и наблюдения за результатами станет дополнительным испытанием. Дэвид Кайзер из Массачусетского технологического института рассказал New York Times в 2015 году, что потенциальная слабость экспериментов без лазеек заключается в том, что системы, используемые для добавления случайности к измерениям, могут быть заранее определены в методе, который не был обнаружен в экспериментах.

Лазейка в обнаружении

Распространенной проблемой оптических тестов Белла является то, что обнаруживается лишь небольшая часть испускаемых фотонов. Тогда возможно, что корреляции обнаруженных фотонов нерепрезентативны: хотя они и демонстрируют нарушение неравенства Белла, если бы все фотоны были обнаружены, неравенство Белла фактически соблюдалось бы. Впервые это было отмечено Филипом М. Перлом в 1970 году. который разработал модель локальной скрытой переменной, которая имитировала нарушение Белла, позволяя обнаруживать фотон только в том случае, если настройки измерения были благоприятными. Предположение о том, что этого не происходит, т. е. что небольшая выборка на самом деле является репрезентативной для целого, называется предположением о справедливой выборке .

Чтобы отказаться от этого предположения, необходимо зарегистрировать достаточно большую долю фотонов. Обычно это характеризуют с точки зрения эффективности обнаружения. $\eta$, определяемая как вероятность того, что фотодетектор обнаружит прилетевший к нему фотон. Анупам Гарг и Н. Дэвид Мермин показали, что при использовании максимально запутанного состояния и неравенства CHSH эффективность $\eta >2{\sqrt {2}}-2\approx 0.83$ требуется для нарушения без лазеек. Позже Филипп Х. Эберхард показал, что при использовании частично запутанного состояния возможно нарушение без лазеек для $\eta >2/3\approx 0.67$, что является оптимальной оценкой неравенства CHSH. Другие неравенства Белла допускают еще более низкие оценки. Например, существует неравенство четырех положений, которое нарушается при $\eta >({\sqrt {5}}-1)/2\approx 0.62$.

Исторически сложилось так, что только эксперименты с неоптическими системами могли достичь достаточно высокой эффективности, чтобы закрыть эту лазейку, например, захваченные ионы, сверхпроводящие кубиты, и азотно-вакансионные центры . Эти эксперименты не смогли закрыть лазейку локальности, которую легко сделать с фотонами. Однако совсем недавно оптическим установкам удалось достичь достаточно высокой эффективности обнаружения за счет использования сверхпроводниковых фотодетекторов. а гибридным установкам удалось совместить высокую эффективность обнаружения, типичную для материальных систем, с легкостью распределения запутанности на расстоянии, типичной для фотонных систем.

Локальная лазейка

Одним из предположений теоремы Белла является предположение о локальности, а именно, что выбор места измерения не влияет на результат другого. Мотивацией для этого предположения является теория относительности , которая запрещает общение со скоростью, превышающей скорость света. Чтобы эта мотивация применима к эксперименту, он должен иметь пространственное разделение между событиями измерений. То есть время, которое проходит между выбором настройки измерения и получением результата, должно быть короче, чем время, необходимое световому сигналу для прохождения между точками измерения.

Первым экспериментом, в котором была предпринята попытка соблюдать это условие, был эксперимент Аспекта 1982 года. В нем настройки менялись достаточно быстро, но детерминированно. Первым экспериментом по случайному изменению настроек с выбором, сделанным квантовым генератором случайных чисел , был эксперимент Вейса и др. 1998 года. Шейдл и др. в 2010 году улучшил эту ситуацию, проведя эксперимент между точками, разделенными расстоянием 144 км (89 миль).

Лазейка для совпадений

Во многих экспериментах, особенно тех, которые основаны на поляризации фотонов, пары событий в двух крыльях эксперимента идентифицируются как принадлежащие одной паре только после проведения эксперимента путем оценки того, достаточно ли близко время их обнаружения друг к другу. . Это создает новую возможность для теории локальных скрытых переменных «подделывать» квантовые корреляции: задерживать время обнаружения каждой из двух частиц на большую или меньшую величину в зависимости от некоторой взаимосвязи между скрытыми переменными, переносимыми частицами, и встречающимися настройками детектора. на измерительной станции.

Лазейку совпадений можно полностью исключить, просто работая с заранее фиксированной решеткой окон обнаружения, которые достаточно коротки, чтобы большинство пар событий, происходящих в одном окне, действительно происходили с одним и тем же излучением, и достаточно длинные, чтобы истинная пара не была разделена. по границе окна.

Дыра в памяти

В большинстве экспериментов измерения проводятся неоднократно в одних и тех же двух местах. Теория локальных скрытых переменных может использовать память о прошлых настройках и результатах измерений, чтобы увеличить нарушение неравенства Белла. Более того, физические параметры могут меняться во времени. Было показано, что при условии выполнения каждой новой пары измерений с новой случайной парой настроек измерения ни память, ни временная неоднородность не оказывают серьезного влияния на эксперимент.

Супердетерминизм

Основная статья: Супердетерминизм

Необходимым предположением для вывода теоремы Белла является то, что скрытые переменные не коррелируют с настройками измерения. Это предположение было оправдано тем, что экспериментатор имеет « свободную волю » выбирать настройки и что это необходимо в первую очередь для научной деятельности. (Гипотетическая) теория, в которой выбор измерения определяется измеряемой системой, известна как супердетерминированная .

Многомировая лазейка

Многомировая интерпретация , также известная как интерпретация Хью Эверетта , является детерминистической и имеет локальную динамику, состоящую из унитарной части квантовой механики без коллапса. Теорема Белла неприменима из-за неявного предположения, что измерения имеют единственный результат.

См. также

• Детерминизм - Квантовая и классическая механика
• Мысленные эксперименты Эйнштейна
• Принцип локальности
• Квантовая неопределенность

Дальнейшее чтение

• Дж. Барретт; Д. Коллинз; Л. Харди; А. Кент; С. Попеску (2002). «Квантовая нелокальность, неравенства Белла и лазейка в памяти». Физ. Преподобный А. 66 (4): 042111. arXiv : quant-ph/0205016 . Бибкод : 2002PhRvA..66d2111B . дои : 10.1103/PhysRevA.66.042111 . S2CID   6524446 .
• Дж. С. Белл (1987). Выразимое и невыразимое в квантовой механике . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-33495-2 .
• Д. Кельпински; А. Бен-Киш; Дж. Бриттон; В. Мейер; М. А. Роу; Калифорния Сакетт; В.М. Итано; К. Монро; Диджей Вайнленд (2001). «Последние результаты в квантовых вычислениях с захваченными ионами». arXiv : Quant-ph/0102086 .
• ПГ Квиат; Э. Вакс; А.Г. Уайт; И. Аппельбаум; П.Х. Эберхард (1999). «Сверхъяркий источник поляризационно-запутанных фотонов». Физический обзор А. 60 (2): R773–6. arXiv : Quant-ph/9810003 . Бибкод : 1999PhRvA..60..773K . дои : 10.1103/PhysRevA.60.R773 . S2CID   16417960 .