Физик Джон Белл придумал в 1960-х мысленный эксперимент. Он хотел ответить на вопрос, верны ли предсказания квантовой механики, которые кажутся парадоксальными, или же традиционные концепции причинности также применимы в атомном микрокосме, как полагал Альберт Эйнштейн?

Для ответа Белл предложил провести случайные измерения двух запутанных фотонов одновременно и проверить их с помощью неравенств Белла. Если идея локальной причинности верна, эти эксперименты всегда будут удовлетворять неравенствам Белла. Напротив, квантовая механика утверждает, что они будут нарушены.

В начале 70-х физики Джон Клаузер и Стюарт Фридман провели первый опыт Белла на практике. Они смогли доказать, что неравенство Белла действительно нарушено. Однако им пришлось сделать определенные допущения в своих экспериментах, чтобы иметь возможность провести их.

Так что теоретически, все еще оставалась возможность того, что Эйнштейн был прав в своем скептицизме по поводу квантовой механики.

Однако время шло, и постепенно закрывалось все больше лазеек в этом эксперименте. Наконец, в 2015 году ученые провели окончательные опыты Белла, поставив точку в этом споре.

Команда Андреаса Уоллрафа, профессора Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе, смогла подтвердить эти результаты, проведя новый эксперимент, пишет Phys.org. Причин для его повторения было несколько: во-первых, новый опыт подтверждал, что сверхпроводящие схемы тоже подчиняются законам квантовой механики, даже несмотря на то, что они намного больше, чем микроскопические квантовые объекты вроде фотонов или ионов. Электронные схемы размером несколько сотен микрометров, работающие на микроволновых частотах, считаются макроскопическими квантовыми объектами. Во-вторых, опыты Белла имеют практическое значение, в частности, их можно применять в криптографии.

Для того чтобы опыт Белла был действительно лишен всяческих лазеек, не должно быть никакого обмена информацией между двумя запутанными схемами до измерений. А поскольку эта информация может передаваться со скоростью света, измерения должны отнимать меньше времени, чем требуется фотону для перемещения от одной схему к другой.

Поэтому ученым из команды Уоллрафа пришлось искать компромисс между расстоянием и сложностью экспериментального оборудования, которая возрастает вместе с увеличением расстояния. Это происходит оттого, что весь эксперимент проводится в вакууме при температуре, близкой к абсолютному нолю. В подвале кампуса они разместили два криостата со сверхпроводящими схемами, которые соединили 30-метровой трубой, внутри которой было -275,15 градусов Цельсия.

До начала измерений один фотон был передан из одной схемы в другую, так что обе схемы оказались запутанными. Затем генератор случайных чисел определил, какие измерения проводить в рамках опыта Белла. После чего исследователи сравнили результаты измерений.

Результаты оценки показали, что с большой статистической вероятностью неравенство Белла в этом эксперименте нарушается. Другими словами, ученые подтвердили, что квантовая механика допускает нелокальные корреляции в макроскопических электрических схемах и, следовательно, что сверхпроводящие схемы могут быть запутаны на большом расстоянии.

Это открывает интересные возможности в области распределенных квантовых вычислений и квантовой криптографии.