Quanten-Nichtlokalität im ersten lückenlosen Test des Hardy-Paradoxons nachgewiesen

Einem Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Hardys Paradoxon ohne Schlupflöcher zu testen. Das Team konnte Hardys Nichtlokalität erfolgreich demonstrieren und dabei sowohl die Lücke in der Nachweiseffizienz als auch die Lokalitätslücke schließen.

Ihre Ergebnisse waren veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfung als „Vorschlag des Herausgebers“. Zum Team gehören Mitglieder der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinese Academy of Sciences (CAS) unter der Leitung von Prof. Pan Jianwei, Zhang Qiang und Chen Kai in Zusammenarbeit mit Chen Jingling von der Nankai University.

Das Hardy-Paradoxon, das in den 1990er Jahren von Lucien Hardy eingeführt wurde, bietet einen vereinfachten Test des lokalen Realismus – der klassischen Idee, dass physikalische Eigenschaften unabhängig von der Beobachtung existieren und dass keine Signale die Lichtgeschwindigkeit überschreiten. Dieses Paradoxon enthüllt den Konflikt zwischen Quantenmechanik und lokalem Realismus, indem es zeigt, dass unter bestimmten Bedingungen, bei denen drei „Hardy-Ereignisse“ eine Wahrscheinlichkeit von Null haben, die Quantenmechanik eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeit für ein viertes Ereignis vorhersagt, was dem lokalen Realismus widerspricht.

Die experimentelle Bestätigung von Hardys Paradoxon ist aufgrund der geringen Wahrscheinlichkeit des vierten Ereignisses eine Herausforderung. Um es von Rauschen unterscheiden zu können, ist eine hohe Genauigkeit und Effizienz der Verschränkungsquellen erforderlich. Frühere Experimente standen vor zwei Hauptproblemen: der Lokalitätslücke, bei der die Wahl der Messungen die Ergebnisse beeinflussen konnte, und der Lücke bei der Erkennungseffizienz aufgrund optischer Verluste.

Um die Lokalitätslücke zu schließen, entwickelten die Forscher sorgfältig einen raumzeitlichen Versuchsaufbau, der sicherstellte, dass die Messoptionen raumartig waren und sowohl von den Vorbereitungen der verschränkten Zustände als auch von den Photonennachweisen getrennt waren. Diese Konfiguration schließt jede Möglichkeit aus, dass die Messeinstellungen durch die Ergebnisse beeinflusst werden, und schließt so die Lokalitätslücke.

Um die Lücke in der Detektionseffizienz zu schließen, wurde in der Studie eine hohe Detektionseffizienz von 82,2 % eingesetzt, die die Auswirkungen optischer Verluste erheblich abmildert. Darüber hinaus führte die Integration von Hochgeschwindigkeits-Quantenzufallszahlengeneratoren für die Auswahl der Messeinstellungen ein Element echter Zufälligkeit ein und schützte so vor möglichen Manipulationen durch lokale versteckte Variablen.

Indem sie mithilfe einer verfeinerten Form der Hardy-Ungleichung auch unentdeckte Ereignisse und Doppelklick-Ereignisse in ihre Analyse einbezogen, konnten die Forscher die Lücke in der Erkennungseffizienz effektiv schließen und einen robusten experimentellen Rahmen präsentieren, der einen bedeutenden Beitrag zum Bereich der Quantenphysik darstellt.

Schließlich zeigte das sechs Stunden dauernde Experiment eine starke Verletzung von Hardys Paradoxon mit einem Signifikanzniveau von bis zu 5 Standardabweichungen bei 4,32 Milliarden Versuchen. Ein Nullhypothesentest bestätigte, dass die Wahrscheinlichkeit, die Ergebnisse durch lokalen Realismus zu erklären, kleiner als 10-16348 ist, was überzeugende Beweise für die Quanten-Nichtlokalität liefert.

Diese Forschung vertieft unser Verständnis der Quantenmechanik und hat erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung von Quantentechnologien wie Quantenschlüsselverteilung und Quantenzufallszahlenzertifizierung. Sie stellt einen Fortschritt in der Quantenphysik dar, liefert neue Beweise für die Quantennichtlokalität und ebnet den Weg für zukünftige Quanteninformationstechnologien.