Με επικεφαλής τον Andreas Wallraff, καθηγητή φυσικής στερεάς κατάστασης, οι ερευνητές πραγματοποίησαν ένα τεστ Bell χωρίς παραθυράκια για να διαψεύσουν την έννοια της «τοπικής αιτιότητας» που διατυπώθηκε από τον Albert Einstein ως απάντηση στην κβαντική μηχανική. Δείχνοντας ότι τα κβαντομηχανικά αντικείμενα που απέχουν μεταξύ τους μπορούν να συσχετιστούν πιο ισχυρά μεταξύ τους από ό,τι είναι δυνατό στα συμβατικά συστήματα, οι ερευνητές παρείχαν περαιτέρω επιβεβαίωση για την κβαντομηχανική. Το ιδιαίτερο με αυτό το πείραμα είναι ότι οι ερευνητές μπόρεσαν για πρώτη φορά να το εκτελέσουν χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα κυκλώματα, τα οποία θεωρούνται πολλά υποσχόμενα υποψήφια για την κατασκευή ισχυρών κβαντικών υπολογιστών.

Ένα τεστ Bell βασίζεται σε μια πειραματική διάταξη που αρχικά επινοήθηκε ως σκεπτικό πείραμα από τον Βρετανό φυσικό John Bell τη δεκαετία του 1960. Ο Bell ήθελε να διευθετήσει ένα ερώτημα για το οποίο οι μεγάλοι της φυσικής είχαν ήδη διαφωνήσει τη δεκαετία του 1930: Είναι σωστές οι προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής, οι οποίες έρχονται σε πλήρη αντίθεση με την καθημερινή διαίσθηση, ή ισχύουν οι συμβατικές έννοιες της αιτιότητας και στον ατομικό μικρόκοσμο; όπως πίστευε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν;

Για να απαντήσει σε αυτή την ερώτηση, ο Bell πρότεινε να πραγματοποιηθεί μια τυχαία μέτρηση σε δύο μπερδεμένα σωματίδια ταυτόχρονα και να ελέγξει την ανισότητα του Bell. Εάν η έννοια του Αϊνστάιν για την τοπική αιτιότητα είναι αληθινή, αυτά τα πειράματα θα ικανοποιούν πάντα την ανισότητα του Μπελ. Αντίθετα, η κβαντομηχανική προβλέπει ότι θα την παραβιάσουν.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, ο John Francis Clauser, ο οποίος τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής πέρυσι, και ο Stuart Freedman πραγματοποίησαν μια πρώτη πρακτική δοκιμή Bell. Στα πειράματά τους, οι δύο ερευνητές μπόρεσαν να αποδείξουν ότι η ανισότητα του Μπελ πράγματι παραβιάζεται. Έπρεπε όμως να κάνουν ορισμένες υποθέσεις στα πειράματά τους για να μπορέσουν να τις πραγματοποιήσουν εξαρχής. Οπότε, θεωρητικά, θα μπορούσε να εξακολουθούσε να ισχύει ότι ο Αϊνστάιν είχε δίκιο που ήταν δύσπιστος για την κβαντική μηχανική.

Με την πάροδο του χρόνου, ωστόσο, περισσότερα από αυτά τα κενά θα μπορούσαν να κλείσουν. Τελικά, το 2015, διάφορες ομάδες κατάφεραν να πραγματοποιήσουν τις πρώτες πραγματικά δοκιμές Bell χωρίς παραθυράκια, λύνοντας έτσι την παλιά διαφωνία.

Η ομάδα του Wallraff λέει ότι μπορεί τώρα να επιβεβαιώσει αυτά τα αποτελέσματα με ένα νέο πείραμα. Η εργασία των ερευνητών του ETH δημοσιεύτηκε στο φημισμένο επιστημονικό περιοδικό Φύση δείχνει ότι η έρευνα για αυτό το θέμα δεν έχει ολοκληρωθεί, παρά την αρχική επιβεβαίωση πριν από επτά χρόνια. Υπάρχουν διάφοροι λόγοι για αυτό. Πρώτον, το πείραμα των ερευνητών του ETH επιβεβαιώνει ότι τα υπεραγώγιμα κυκλώματα λειτουργούν επίσης σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, παρόλο που είναι πολύ μεγαλύτερα από τα μικροσκοπικά κβαντικά αντικείμενα όπως τα φωτόνια ή τα ιόντα. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα μεγέθους πολλών εκατοντάδων μικρομέτρων που κατασκευάζονται από υπεραγώγιμα υλικά και λειτουργούν σε συχνότητες μικροκυμάτων αναφέρονται ως μακροσκοπικά κβαντικά αντικείμενα.

Κατά τα άλλα, τα τεστ Bell έχουν και πρακτική σημασία. «Τα τροποποιημένα τεστ Bell μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κρυπτογραφία, για παράδειγμα, για να δείξουν ότι οι πληροφορίες μεταδίδονται πραγματικά σε κρυπτογραφημένη μορφή», εξηγεί ο Simon Storz, ένας διδακτορικός φοιτητής στην ομάδα του Wallraff. «Με την προσέγγισή μας, μπορούμε να αποδείξουμε πολύ πιο αποτελεσματικά από ό,τι είναι δυνατόν σε άλλες πειραματικές ρυθμίσεις ότι η ανισότητα του Bell παραβιάζεται. Αυτό το κάνει ιδιαίτερα ενδιαφέρον για πρακτικές εφαρμογές.»

Επομένως, όταν ρυθμίζετε το πείραμα, είναι σημαντικό να επιτύχετε μια ισορροπία: όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ των δύο υπεραγώγιμων κυκλωμάτων, τόσο περισσότερος χρόνος είναι διαθέσιμος για τη μέτρηση – και τόσο πιο περίπλοκη γίνεται η πειραματική ρύθμιση. Αυτό συμβαίνει επειδή ολόκληρο το πείραμα πρέπει να διεξαχθεί σε κενό κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Οι ερευνητές του ETH προσδιόρισαν τη μικρότερη απόσταση στην οποία θα πραγματοποιηθεί μια επιτυχημένη δοκιμή Bell χωρίς παραθυράκια να είναι περίπου 33 μέτρα, καθώς ένα ελαφρύ σωματίδιο χρειάζεται περίπου 110 νανοδευτερόλεπτα για να διανύσει αυτήν την απόσταση στο κενό. Αυτό είναι μερικά νανοδευτερόλεπτα περισσότερα από όσα χρειάστηκαν οι ερευνητές για να πραγματοποιήσουν το πείραμα.

Η ομάδα του Wallraff έχει κατασκευάσει μια εντυπωσιακή εγκατάσταση στις υπόγειες διαβάσεις της πανεπιστημιούπολης ETH. Σε κάθε ένα από τα δύο άκρα του υπάρχει ένας κρυοστάτης που περιέχει ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα. Αυτές οι δύο συσκευές ψύξης συνδέονται με έναν σωλήνα μήκους 30 μέτρων του οποίου το εσωτερικό ψύχεται σε θερμοκρασία λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν (–273.15°C).

Πριν από την έναρξη κάθε μέτρησης, ένα φωτόνιο μικροκυμάτων μεταδίδεται από το ένα από τα δύο υπεραγώγιμα κυκλώματα στο άλλο, έτσι ώστε τα δύο κυκλώματα να μπλέκονται. Στη συνέχεια, οι γεννήτριες τυχαίων αριθμών αποφασίζουν ποιες μετρήσεις θα γίνουν στα δύο κυκλώματα ως μέρος της δοκιμής Bell. Στη συνέχεια, συγκρίνονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων και στις δύο πλευρές.

Αφού αξιολόγησαν περισσότερες από ένα εκατομμύριο μετρήσεις, οι ερευνητές έδειξαν με πολύ υψηλή στατιστική βεβαιότητα ότι η ανισότητα του Bell παραβιάζεται σε αυτή την πειραματική διάταξη. Με άλλα λόγια, έχουν επιβεβαιώσει ότι η κβαντομηχανική επιτρέπει επίσης μη τοπικούς συσχετισμούς σε μακροσκοπικά ηλεκτρικά κυκλώματα και κατά συνέπεια ότι τα υπεραγώγιμα κυκλώματα μπορούν να εμπλακούν σε μεγάλη απόσταση. Αυτό ανοίγει ενδιαφέρουσες πιθανές εφαρμογές στον τομέα των κατανεμημένων κβαντικών υπολογιστών και της κβαντικής κρυπτογραφίας.

Η κατασκευή της εγκατάστασης και η πραγματοποίηση της δοκιμής ήταν μια πρόκληση, λέει ο Wallraff. «Ήμασταν σε θέση να χρηματοδοτήσουμε το έργο σε μια περίοδο έξι ετών με χρηματοδότηση από μια προηγμένη επιχορήγηση του ERC». Απλά η ψύξη ολόκληρης της πειραματικής ρύθμισης σε θερμοκρασία κοντά στο απόλυτο μηδέν απαιτεί σημαντική προσπάθεια. «Υπάρχουν 1.3 τόνοι χαλκού και 14,000 βίδες στο μηχάνημά μας, καθώς και πολλές γνώσεις φυσικής και τεχνογνωσία μηχανικής», λέει ο Wallraff. Πιστεύει ότι καταρχήν θα ήταν δυνατό να κατασκευαστούν εγκαταστάσεις που ξεπερνούν ακόμη μεγαλύτερες αποστάσεις με τον ίδιο τρόπο. Αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε, για παράδειγμα, να χρησιμοποιηθεί για τη σύνδεση υπεραγώγιμων κβαντικών υπολογιστών σε μεγάλες αποστάσεις.