Bagaimanakah Kita Tahu Dua Zarah Kuantum Benar-Benar Terbelit?

Bayangkan satu sumber menghasilkan pasangan foton dan menghantar setiap foton ke stesen pengukuran yang berbeza. Apabila polarisasi kedua-duanya diukur berulang kali menggunakan tetapan yang berlainan, keputusan boleh menunjukkan korelasi yang lebih kuat daripada had yang dibenarkan oleh kelas teori yang menggabungkan sifat prasedia dengan prinsip kesetempatan. Had statistik itu dinyatakan melalui ketaksamaan Bell.

Pelanggaran ketaksamaan Bell telah diperhatikan dalam banyak eksperimen, termasuk ujian moden yang menutup kelemahan utama eksperimen terdahulu. Hubungan kuantum yang diuji melalui eksperimen ini dinamakan keterbelitan kuantum.

Korelasi sahaja belum cukup

Dua objek klasik boleh berkorelasi tanpa sebarang fizik kuantum yang luar biasa. Bayangkan dua sampul surat, satu mengandungi kad merah dan satu lagi kad biru, yang dihantar ke dua bandar. Apabila satu dibuka dan didapati merah, kita terus mengetahui bahawa satu lagi biru. Tiada misteri di sini, kerana warna telah ditentukan sebelum sampul dipisahkan.

Inilah sebabnya ayat “mengukur satu zarah membolehkan kita meramalkan keputusan zarah lain” belum mencukupi untuk menunjukkan keterbelitan kuantum. Kita perlu menguji sama ada keputusan boleh diterangkan oleh model yang menganggap zarah membawa arahan atau sifat setempat yang telah tersedia sebelum pengukuran.

Idea Bell: menjadikan persoalan falsafah boleh diuji

Pada 1964, ahli fizik John Stewart Bell menunjukkan bahawa kelas teori pemboleh ubah tersembunyi setempat mempunyai had terhadap kekuatan korelasi yang boleh dihasilkan. Dalam eksperimen Bell yang tipikal, sumber menghasilkan pasangan zarah terbelit dan satu zarah dihantar kepada setiap satu daripada dua pihak yang secara konvensional dinamakan Alice dan Bob. Alice memilih antara beberapa tetapan pengukuran, dan Bob juga membuat pilihan secara berasingan.

Setiap pengukuran menghasilkan keputusan. Proses itu diulang berkali-kali, kemudian penyelidik membandingkan statistik keputusan bagi kombinasi tetapan yang berbeza. Bagi model realisme setempat tertentu, korelasi tersebut mesti memenuhi ketaksamaan Bell, tetapi mekanik kuantum meramalkan bahawa keadaan terbelit tertentu boleh melanggarnya. Persoalannya berubah daripada “adakah mekanik kuantum pelik?” kepada soalan eksperimen: adakah statistik sebenar mematuhi atau melanggar had Bell?

Apa maksud “setempat”?

Dalam konteks ujian Bell, kesetempatan berkaitan andaian bahawa apa yang dilakukan di satu stesen tidak boleh serta-merta mempengaruhi hasil di stesen yang cukup jauh dengan cara yang memerlukan pengaruh lebih pantas daripada cahaya. “Realisme” pula, dalam penerangan ringkas tentang ujian Bell, dikaitkan dengan andaian bahawa hasil pengukuran ditentukan oleh sifat atau pemboleh ubah yang telah tersedia sebelum pengukuran, dan tidak bergantung pada tindakan pengukuran yang jauh. Gabungan andaian seperti ini menghasilkan kekangan statistik.

Bagaimanakah ketaksamaan itu digunakan?

Salah satu bentuk yang banyak digunakan ialah ketaksamaan CHSH. Statistik daripada empat kombinasi tetapan pengukuran digabungkan menjadi suatu parameter, lazimnya ditulis S. Bagi model pemboleh ubah tersembunyi setempat yang memenuhi andaian CHSH, |S| ≤ 2, manakala mekanik kuantum membenarkan keadaan dan tetapan tertentu mencapai nilai sehingga 2√2, iaitu kira-kira 2.828.

Had kuantum ini tidak bermaksud setiap eksperimen mesti mendapat 2.828. Kehilangan foton, hingar, ketaksempurnaan keadaan dan pilihan tetapan mempengaruhi keputusan sebenar. Yang penting ialah sama ada keputusan eksperimen melanggar had model setempat dengan signifikan setelah reka bentuk dan analisis statistik yang sesuai digunakan. Eksperimen dengan ion berilium di NIST, misalnya, pernah memperoleh parameter Bell 2.25 ± 0.03, melebihi had 2 bagi ketaksamaan yang digunakan dalam eksperimen tersebut.

Mengapa perlu memilih tetapan secara rawak?

Jika tetapan pengukuran telah diketahui oleh sumber lebih awal, seseorang boleh membayangkan model alternatif yang menghasilkan pasangan zarah dengan “arahan” yang disesuaikan kepada tetapan tersebut. Oleh itu, eksperimen moden memilih tetapan pengukuran secara cepat dan rawak ketika zarah sedang bergerak ke stesen pengesan.

Alain Aspect memperkenalkan eksperimen yang membolehkan tetapan berubah ketika pasangan foton sedang bergerak, dan eksperimen kemudian menggunakan penjana nombor rawak untuk memilih tetapan. Dalam ujian Bell bebas kelompongan moden, masa dan jarak juga direka supaya pilihan pengukuran di satu stesen tidak sempat menghantar maklumat pada atau di bawah kelajuan cahaya kepada stesen lain sebelum pengukuran selesai.

Masalah foton yang tidak dikesan

Eksperimen sebenar tidak sempurna, dan ada foton yang hilang atau gagal dikesan. Jika penyelidik hanya menganalisis pasangan yang berjaya dikesan, timbul persoalan sama ada sampel yang dikesan benar-benar mewakili semua pasangan yang dihasilkan. Ini dikenali sebagai kelompongan pengesanan.

Eksperimen NIST dan rakan penyelidik pada 2013 menunjukkan pelanggaran ketaksamaan Bell dengan foton tanpa memerlukan andaian pensampelan adil, sekali gus menutup kelompongan pengesanan dalam ujian itu. Namun eksperimen tersebut belum menutup semua kelompongan utama secara serentak. Pada 2015, beberapa kumpulan menjalankan ujian Bell yang menutup kelompongan utama secara serentak. Satu eksperimen foton menggunakan sumber keterbelitan berkualiti tinggi, pemilihan tetapan yang pantas dan pengesan foton berkecekapan tinggi untuk menghasilkan pelanggaran ketaksamaan Bell dengan signifikan.

Adakah ini bermaksud mesej boleh dihantar lebih pantas daripada cahaya?

Tidak. Korelasi keterbelitan tidak menyediakan saluran yang membolehkan Alice memilih hasil pengukurannya lalu menggunakan hasil itu untuk menghantar mesej terkawal kepada Bob secara serta-merta. Alice melihat keputusan tempatan yang secara individu tidak memberinya rentetan mesej yang boleh ditentukan sesuka hati, dan Bob juga melihat keputusan tempatannya sendiri. Corak keterbelitan muncul hanya apabila keputusan daripada banyak percubaan dibandingkan mengikut tetapan pengukuran.

Oleh itu, pelanggaran Bell menunjukkan bahawa korelasi alam tidak boleh diterangkan oleh kelas model setempat tertentu, tetapi ia tidak menyediakan komunikasi lebih pantas daripada cahaya yang boleh dikawal. Eksperimen NIST tentang rawak kuantum, misalnya, secara khusus menggunakan kerangka fizik yang melarang pensinyalan lebih pantas daripada cahaya sambil mengeksploitasi korelasi Bell.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?