محققان به رهبری آندریاس والراف، پروفسور فیزیک حالت جامد، آزمایش بل بدون حفره را برای رد مفهوم «علیت محلی» که توسط آلبرت اینشتین در پاسخ به مکانیک کوانتومی فرموله شده بود، انجام دادند. محققان با نشان دادن اینکه اجسام مکانیکی کوانتومی که از هم دور هستند می‌توانند قوی‌تر از آنچه در سیستم‌های معمولی ممکن است با یکدیگر همبستگی داشته باشند، تأیید بیشتری برای مکانیک کوانتومی ارائه کرده‌اند. نکته ویژه در مورد این آزمایش این است که محققان برای اولین بار توانستند آن را با استفاده از مدارهای ابررسانا انجام دهند، مدارهایی که به عنوان نامزدهای امیدوارکننده ای برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی قدرتمند در نظر گرفته می شوند.

تست بل بر اساس یک مجموعه آزمایشی است که در ابتدا به عنوان یک آزمایش فکری توسط فیزیکدان بریتانیایی جان بل در دهه 1960 طراحی شد. بل می خواست سوالی را حل کند که بزرگان فیزیک قبلاً در دهه 1930 درباره آن بحث کرده بودند: آیا پیش بینی های مکانیک کوانتومی که کاملاً در تضاد با شهود روزمره هستند صحیح هستند یا مفاهیم مرسوم علیت در عالم صغیر اتمی نیز کاربرد دارند؟ همانطور که آلبرت انیشتین معتقد بود؟

برای پاسخ به این سوال، بل پیشنهاد کرد که یک اندازه گیری تصادفی روی دو ذره در هم تنیده به طور همزمان انجام شود و آن را در برابر نابرابری بل بررسی کند. اگر مفهوم انیشتین از علیت محلی درست باشد، این آزمایش‌ها همیشه نابرابری بل را برآورده می‌کنند. در مقابل، مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که آن را نقض خواهند کرد.

در اوایل دهه 1970، جان فرانسیس کلوزر، که سال گذشته جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد، و استوارت فریدمن اولین آزمایش عملی بل را انجام دادند. این دو محقق در آزمایشات خود توانستند ثابت کنند که نابرابری بل واقعا نقض شده است. اما آنها باید در آزمایشات خود مفروضات خاصی را انجام می دادند تا بتوانند آنها را در وهله اول انجام دهند. بنابراین، از نظر تئوری، ممکن است هنوز هم درست باشد که انیشتین نسبت به مکانیک کوانتومی بدبین بوده است.

با این حال، با گذشت زمان، تعداد بیشتری از این حفره ها می توانند بسته شوند. در نهایت، در سال 2015، گروه‌های مختلف موفق شدند اولین آزمایش‌های Bell واقعاً بدون حفره را انجام دهند، بنابراین در نهایت اختلاف قدیمی را حل کردند.

گروه والراف می گویند اکنون می توانند این نتایج را با یک آزمایش جدید تأیید کنند. این کار توسط محققان ETH در مجله علمی مشهور منتشر شده است طبیعت نشان می دهد که با وجود تایید اولیه هفت سال پیش، تحقیقات در مورد این موضوع به نتیجه نرسیده است. دلایل متعددی برای این امر وجود دارد. برای یک چیز، آزمایش محققان ETH تأیید می کند که مدارهای ابررسانا بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی نیز عمل می کنند، حتی اگر آنها بسیار بزرگتر از اجسام کوانتومی میکروسکوپی مانند فوتون ها یا یون ها هستند. مدارهای الکترونیکی با اندازه چند صد میکرومتر که از مواد ابررسانا ساخته شده و در فرکانس‌های مایکروویو کار می‌کنند، اجسام کوانتومی ماکروسکوپی نامیده می‌شوند.

برای یک چیز دیگر، تست های بل اهمیت عملی نیز دارند. سیمون استورز، دانشجوی دکترا در گروه والراف توضیح می‌دهد: «آزمون‌های بل اصلاح‌شده را می‌توان در رمزنگاری استفاده کرد، برای مثال، برای نشان دادن اینکه اطلاعات واقعاً به شکل رمزگذاری شده منتقل می‌شوند. با رویکرد خود، می‌توانیم بسیار کارآمدتر از آنچه در دیگر تنظیمات آزمایشی ممکن است ثابت کنیم که نابرابری بل نقض شده است. این آن را به ویژه برای کاربردهای عملی جالب می کند."

بنابراین، هنگام تنظیم آزمایش، رعایت تعادل مهم است: هرچه فاصله بین دو مدار ابررسانا بیشتر باشد، زمان بیشتری برای اندازه‌گیری در دسترس است - و تنظیم آزمایشی پیچیده‌تر می‌شود. این به این دلیل است که کل آزمایش باید در خلاء نزدیک به صفر مطلق انجام شود.

محققان ETH کوتاه‌ترین فاصله‌ای را که برای انجام یک تست بل بدون حفره موفقیت‌آمیز انجام می‌شود، حدود 33 متر تعیین کرده‌اند، زیرا یک ذره نور حدود 110 نانوثانیه طول می‌کشد تا این فاصله را در خلاء طی کند. این چند نانوثانیه بیشتر از زمانی است که محققان برای انجام این آزمایش صرف کردند.

تیم والراف یک تاسیسات چشمگیر در گذرگاه های زیرزمینی پردیس ETH ساخته است. در هر یک از دو انتهای آن یک کرایواستات حاوی یک مدار ابررسانا قرار دارد. این دو دستگاه خنک کننده توسط یک لوله به طول 30 متر به هم متصل می شوند که فضای داخلی آن تا دمای بالای صفر مطلق (273.15- درجه سانتیگراد) خنک می شود.

قبل از شروع هر اندازه گیری، یک فوتون مایکروویو از یکی از دو مدار ابررسانا به مدار دیگر منتقل می شود تا دو مدار در هم پیچیده شوند. سپس مولدهای اعداد تصادفی تصمیم می گیرند که کدام اندازه گیری در دو مدار به عنوان بخشی از تست بل انجام شود. سپس نتایج اندازه گیری در هر دو طرف مقایسه می شود.

پس از ارزیابی بیش از یک میلیون اندازه گیری، محققان با اطمینان آماری بسیار بالا نشان دادند که نابرابری بل در این مجموعه آزمایشی نقض می شود. به عبارت دیگر، آنها تأیید کرده‌اند که مکانیک کوانتومی همچنین اجازه می‌دهد تا همبستگی‌های غیرمحلی در مدارهای الکتریکی ماکروسکوپی وجود داشته باشد و در نتیجه مدارهای ابررسانا را می‌توان در فاصله‌ای زیاد در هم پیچیده کرد. این امر کاربردهای ممکن جالبی را در زمینه محاسبات کوانتومی توزیع شده و رمزنگاری کوانتومی باز می کند.

والراف می گوید که ساختن تاسیسات و انجام آزمایش یک چالش بود. ما توانستیم این پروژه را در یک دوره شش ساله با کمک مالی ERC Advanced Grant تامین مالی کنیم. فقط خنک کردن کل تنظیمات آزمایشی تا دمای نزدیک به صفر مطلق، تلاش قابل توجهی را می طلبد. والراف می‌گوید: «1.3 تن مس و 14,000 پیچ در دستگاه ما و همچنین مقدار زیادی دانش فیزیک و دانش مهندسی وجود دارد. او معتقد است که اصولاً می‌توان تأسیساتی ساخت که بر فواصل طولانی‌تر غلبه می‌کنند، به همین روش. برای مثال می توان از این فناوری برای اتصال کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا در فواصل دور استفاده کرد.