Forskere har identificeret grænsen mellem kvantefysik og nogle endnu ukendte post-kvantum rige ved matematisk at analysere alle mulige målinger af enkle kvantesystemer
Er der en forbindelse mere ekstrem end kvanteforvikling?
Kvanteforvikling kan forbinde to objekter, selv når de er adskilt med ekstremt store afstande. Men en ny undersøgelse har fundet en grænse, hvor sådanne kvantekorrelationer stopper – og overraskende kan noget endnu stærkere begynde.
”Helt ærligt er vi i udkanten af videnskaben her,” siger Jean-Daniel Bancal ved Paris-Saclay University i Frankrig.
For at verificere, at to kvanteobjekter er sammenfiltret, bruger fysikere det, der kaldes Bell Tests: De måler gentagne gange systemet for at finde ud af alle mulige tilstande, det måske er i, og opret derefter en “sandsynlighedsfordeling” for at vise, hvor sandsynligt systemet er at være i nogen af disse stater.
Bancal og Victor Barizien, også ved Paris-Saclay University, har nu beregnet nøjagtigt, hvilke sandsynlighedsfordelinger der er tilladt af kvanteteorien. Hvis kvanteobjekter har en sandsynlighedsfordeling, der ikke stemmer overens med nogen af disse, antyder det, at de faktisk hører til nogle mere eksotiske, post-kvantum teori.
Fysikere begyndte først at studere denne idé i 1980’erne, og siden da har flere forskerteams været i retning af at opdage en grænse mellem kvante- og post-kvantumadfærd. På deres side fokuserede Barizien og Bancal på et kvantesystem, der kun kunne være i en af to stater. Et eksempel på dette er en kvantebit eller qubit – byggesten til kvantecomputere og kvante kommunikationsenheder.
Normalt ville fysikere beregne sandsynlighedsfordelingen af disse tilstande baseret på de fysiske detaljer om objektet. Men parret udtænkte en måde at vende denne metode på: I stedet startede de med de mange mulige sandsynlighedsfordelinger og bestemte, som kunne matches til deres fysiske kvantesystem.
Tidligere havde forskere kortlagt nogle kvantesandsynlighedsfordelinger ved at studere tilfælde, hvor sammenfiltring mellem objekter var så stærk som muligt. Bancal og Barizien formåede at afslutte kortet ved at udvide sig fra disse mere ekstreme eksempler til alle tilfælde af sammenfiltring. Forbindelser, der er stærkere end sammenfiltringerne, der er inkluderet på kortet, ville være bevis på en post-kvantumeffekt.
Barizien siger, at det var som at indsamle stykker af et komplekst puslespil fra tidligere værker, matematisk litteratur og deres egen indsigt, indtil de alle sammen kom sammen bemærkelsesværdigt. ”Dette er en stor teknisk præstation,” siger Valerio Scarani ved National University of Singapore.
Ivan Šupić på University Grenoble-Alpes i Frankrig siger, at fuldt karakterisering af sættet af alle mulige kvantekorrelationer bliver overordentlig vanskelige, når genstande bliver mere komplekse-fordi der er flere potentielle tilstande for systemet. Så det er bemærkelsesværdigt og vigtigt, at den nye undersøgelse kan være nøjagtig. Šupić siger, at selvom det er temmelig let at se, hvor klassiske sammenhænge slutter og kvantebegynderne begynder, er det mere problematisk at træne, når noget kvantet krydser til noget, der muligvis er post-kvantum.
Martin Plesch på Slovakiske Academy of Sciences siger, at fordi det nye arbejde gælder for qubits, kan det også tilbyde matematiske værktøjer til at gøre kvantekommunikation og computerprotokoller mere sikre.
Dette skyldes, at konstateringen giver forskere mulighed for at lære om en kvanteindretning lige ved at foretage målinger af dens egenskaber og bestemme, hvordan de er korrelerede, i stedet for at skulle kende detaljerne i dens hardware – noget, der er umuligt for traditionelle computerenheder. ”Vi behøver ikke at stole på producenten af enheden. Vi kan bare teste enheden på ‘Hvad laver den?’ Og resultater som dette gør testene mere strenge, ”siger Plesch.
Men der kan også være konsekvenser for, hvordan vi tænker på kvanteteori, siger Scarani. Nogle sandsynlighedsfordelinger, der ligger uden for efter-kvantum-grænsepauselovene for fysik, der ville gøre dem umulige at finde i naturen. Men andre gør det ikke. Dette åbner et stort spørgsmål: er vores verden helt inde i kvantegrænsen – eller ikke?
Spørgsmålet forbliver fristende åbent, især da der ikke er nogen streng og aftalt post-kvantumsteorier. Indtil videre har intet eksperiment formået at krydse kanten af kvantiteten. Men hvis det nogensinde skete, ville det være resultaterne af denne undersøgelse, der ville hjælpe os med at indse, at vi var gået post-kvantum, siger Barizien.