Forskere, inkludert Albert Einstein og Erwin Schrödinger, oppdaget først fenomenet sammenfiltring på 1930-tallet. I 1972 var John Clauser og Stuart Freedman de første som beviste eksperimentelt at to vidt adskilte partikler kan vikles inn.
En Q&A med Caltech-alumnus John Clauser om hans første eksperimentelle bevis på kvanteforviklinger.
Da forskere, inkludert Albert Einstein og Erwin Schrödinger, først oppdaget fenomenet sammenfiltring på 1930-tallet, ble de forvirret. Foruroligende nok krevde sammenfiltring at to adskilte partikler forble koblet uten å være i direkte kontakt. Faktisk kalte Einstein sammenfiltring “skummel handling på avstand”, fordi partiklene så ut til å kommunisere raskere enn lysets hastighet.
Født 1. desember 1942, er John Francis Clauser en amerikansk teoretisk og eksperimentell fysiker kjent for bidrag til grunnlaget for kvantemekanikk, spesielt Clauser-Horne-Shimony-Holt-ulikheten. Clauser ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 2022, sammen med Alain Aspect og Anton Zeilinger “for eksperimenter med sammenfiltrede fotoner, som har etablert brudd på Bell-ulikheter og banebrytende kvanteinformasjonsvitenskap.”
For å forklare de bisarre implikasjonene av sammenfiltring, hevdet Einstein, sammen med Boris Podolsky og Nathan Rosen (EPR), at “skjulte variabler” burde legges til kvantemekanikk. Disse kan brukes til å forklare sammenfiltring, og for å gjenopprette “lokalitet” og “årsakssammenheng” til oppførselen til partiklene. Lokalitet sier at objekter kun påvirkes av sine umiddelbare omgivelser. Kausalitet sier at en effekt ikke kan oppstå før dens årsak, og at årsakssignalering ikke kan forplante seg raskere enn lyshastigheten. Niels Bohr bestred berømt EPRs argument, mens Schrödinger og Wendell Furry, som svar på EPR, uavhengig antok at sammenfiltring forsvinner med separasjon av brede partikler.
Dessverre var det på den tiden ingen eksperimentelle bevis for eller mot kvantesammenfiltring av vidt adskilte partikler tilgjengelig. Eksperimenter har siden vist at sammenfiltring er veldig reell og grunnleggende for naturen. Videre har kvantemekanikk nå vist seg å fungere, ikke bare på svært korte avstander, men også på svært store avstander. Faktisk er Kinas kvantekrypterte kommunikasjonssatellitt, Micius, (en del av forskningsprosjektet Quantum Experiments at Space Scale (QUESS) avhengig av kvantesammenfiltring mellom fotoner som er adskilt med tusenvis av kilometer.
John Clauser står med sitt andre kvanteforviklingseksperiment ved UC Berkeley i 1976. Kreditt: University of California Graphic Arts / Lawrence Berkeley Laboratory
Det aller første av disse eksperimentene ble foreslått og utført av Caltech-alumnus John Clauser (BS ’64) i henholdsvis 1969 og 1972. Funnene hans er basert på Bells teorem, utviklet av CERN teoretiker John Bell. I 1964 beviste Bell ironisk nok at EPRs argument faktisk førte til den motsatte konklusjonen fra det EPR opprinnelig hadde tenkt å vise. Bell demonstrerte at kvanteforviklinger faktisk er uforenlig med EPRs forestilling om lokalitet og kausalitet.
I 1969mens han fortsatt var hovedfagsstudent ved[{” attribute=””>Columbia University, Clauser, along with Michael Horne, Abner Shimony, and Richard Holt, transformed Bell’s 1964 mathematical theorem into a very specific experimental prediction via what is now called the Clauser–Horne–Shimony–Holt (CHSH) inequality (Their paper has been cited more than 8,500 times on Google Scholar.) In 1972, when he was a postdoctoral researcher at the University of California Berkeley and Lawrence Berkeley National Laboratory, Clauser and graduate student Stuart Freedman were the first to prove experimentally that two widely separated particles (about 10 feet apart) can be entangled.
Clauser went on to perform three more experiments testing the foundations of quantum mechanics and entanglement, with each new experiment confirming and extending his results. The Freedman–Clauser experiment was the first test of the CHSH inequality. It has now been tested experimentally hundreds of times at laboratories around the world to confirm that quantum entanglement is real.
Clauser’s work earned him the 2010 Wolf Prize in physics. He shared it with Alain Aspect of the Institut d’ Optique and Ecole Polytechnique and Anton Zeilinger of the University of Vienna and the Austrian Academy of Sciences “for an increasingly sophisticated series of tests of Bell’s inequalities, or extensions thereof, using entangled quantum states,” according to the award citation.
John Clauser at a yacht club. Clauser enjoys sailboat racing in his spare time. Credit: John Dukat
Here, John Clauser answers questions about his historical experiments.
We hear that your idea of testing the principles of entanglement was unappealing to other physicists. Can you tell us more about that?
In the 1960s and 70s, experimental testing of quantum mechanics was unpopular at Caltech, Columbia, UC Berkeley, and elsewhere. My faculty at Columbia told me that testing quantum physics was going to destroy my career. While I was performing the 1972 Freedman–Clauser experiment at UC Berkeley, Caltech’s Richard Feynman was highly offended by my impertinent effort and told me that it was tantamount to professing a disbelief in quantum physics. He arrogantly insisted that quantum mechanics is obviously correct and needs no further testing! My reception at UC Berkeley was lukewarm at best and was only possible through the kindness and tolerance of Professors Charlie Townes [PhD ’39, Nobel Laureate ’64] og Howard Shugart [BS ’53]som lot meg fortsette eksperimentene mine der.
I min korrespondanse med John Bell, uttrykte han nøyaktig motsatt følelse og oppfordret meg sterkt til å gjøre et eksperiment. John Bells banebrytende arbeid fra 1964 om Bells teorem ble opprinnelig publisert i terminalutgaven av et obskurt tidsskrift, Fysikkog i en underjordisk fysikkavis, Epistemologiske brev. Det var ikke før etter 1969 CHSH papir og 1972 Freedman – Clauser-resultater ble publisert i Fysiske gjennomgangsbrev at John Bell endelig diskuterte arbeidet sitt åpent. Han var klar over tabuet med å stille spørsmål ved kvantemekanikkens grunnlag og hadde aldri diskutert det med sin[{” attribute=””>CERN co-workers.
What made you want to carry through with the experiments anyway?
Part of the reason that I wanted to test the ideas was because I was still trying to understand them. I found the predictions for entanglement to be sufficiently bizarre that I could not accept them without seeing experimental proof. I also recognized the fundamental importance of the experiments and simply ignored the career advice of my faculty. Moreover, I was having a lot of fun doing some very challenging experimental physics with apparatuses that I built mostly using leftover physics department scrap. Before Stu Freedman and I did the first experiment, I also personally thought that Einstein’s hidden-variable physics might actually be right, and if it is, then I wanted to discover it. I found Einstein’s ideas to be very clear. I found Bohr’s rather muddy and difficult to understand.
What did you expect to find when you did the experiments?
In truth, I really didn’t know what to expect except that I would finally determine who was right—Bohr or Einstein. I admittedly was betting in favor of Einstein but did not actually know who was going to win. It’s like going to the racetrack. You might hope that a certain horse will win, but you don’t really know until the results are in. In this case, it turned out that Einstein was wrong. In the tradition of Caltech’s Richard Feynman and Kip Thorne [BS ’62], som ville plassere vitenskapelige veddemål, hadde jeg et veddemål med kvantefysiker Yakir Aharonov om utfallet av Freedman-Clauser-eksperimentet. Merkelig nok la han opp bare én dollar til mine to. Jeg tapte innsatsen og la ved en to-dollarseddel og gratulerer da jeg sendte ham et forhåndstrykk med resultatene våre.
Jeg var veldig trist å se at mitt eget eksperiment hadde bevist at Einstein tok feil. Men eksperimentet ga et 6,3-sigma-resultat mot ham [a five-sigma result or higher is considered the gold standard for significance in physics]. Men så fikk Dick Holt og Frank Pipkins konkurrerende eksperiment ved Harvard (aldri publisert) det motsatte resultatet. Jeg lurte på om jeg kanskje hadde oversett noen viktige detaljer. Jeg fortsatte alene ved UC Berkeley for å utføre ytterligere tre eksperimentelle tester av kvantemekanikk. Alle ga de samme konklusjonene. Bohr hadde rett, og Einstein tok feil. Harvard-resultatet gjentok seg ikke og var feil. Da jeg fikk kontakt med fakultetet mitt i Columbia igjen, sa de alle: «Vi fortalte deg det! Slutt nå å kaste bort penger og gå ut med litt fysikk.» På det tidspunktet i karrieren min var den eneste verdien i arbeidet mitt at det viste at jeg var en rimelig talentfull eksperimentell fysiker. Det faktum alene skaffet meg en jobb ved Lawrence Livermore National Lab med kontrollert fusjon[{” attribute=””>plasma physics research.
Can you help us understand exactly what your experiments showed?
In order to clarify what the experiments showed, Mike Horne and I formulated what is now known as Clauser–Horne Local Realism [1974]. Ytterligere bidrag til det ble deretter tilbudt av John Bell og Abner Shimonyså kanskje det heter riktigere Bell – Clauser – Horne – Shimony lokal realisme. Lokal realisme var svært kortvarig som en levedyktig teori. Faktisk ble det eksperimentelt tilbakevist selv før det var fullstendig formulert. Ikke desto mindre er lokal realisme heuristisk viktig fordi den viser i detalj hva kvantemekanikk er ikke.
Lokal realisme antar at naturen består av ting, av objektivt virkelige gjenstander, dvs. ting du kan legge i en boks. (En boks her er en tenkt lukket overflate som definerer separerte innvendige og utvendige volumer.) Den forutsetter videre at objekter eksisterer enten vi observerer dem eller ikke. På samme måte antas det å oppnå klare eksperimentelle resultater, enten vi ser på dem eller ikke. Vi vet kanskje ikke hva stoffet er, men vi antar at det eksisterer og at det er fordelt over hele verdensrommet. Ting kan utvikle seg enten deterministisk eller stokastisk. Lokal realisme antar at ting i en boks har iboende egenskaper, og at når noen utfører et eksperiment i boksen, blir sannsynligheten for et resultat som oppnås på en eller annen måte påvirket av egenskapene til tingene i den boksen. Hvis man utfører si et annet eksperiment med forskjellige eksperimentelle parametere, vil man antagelig få et annet resultat. Anta nå at man har to vidt adskilte bokser, som hver inneholder ting. Lokal realisme antar videre at det eksperimentelle parametervalget gjort i en boks ikke kan påvirke det eksperimentelle resultatet i den fjerne boksen. Lokal realisme forbyr dermed skummel handling på avstand. Den håndhever Einsteins årsakssammenheng som forbyr enhver slik ikke-lokal årsak og virkning. Overraskende nok er disse enkle og svært rimelige forutsetningene tilstrekkelige på egen hånd å tillate utledning av en andre viktig eksperimentell prediksjon som begrenser korrelasjonen mellom eksperimentelle resultater oppnådd i de adskilte boksene. Den spådommen er 1974 Clauser-Horne (CH) ulikhet.
CHSH-ulikhetens avledning fra 1969 hadde krevd flere mindre supplerende antagelser, noen ganger kalt “smuthull.” CH-ulikhetens avledning eliminerer disse supplerende forutsetningene og er dermed mer generell. Det eksisterer kvantesammenfiltrede systemer som er uenige med CH-spådommen, der lokal realisme er mottakelig for eksperimentell motbevisning. CHSH- og CH-ulikhetene brytes begge, ikke bare av det første Freedman-Clauser-eksperimentet fra 1972 og mitt andre eksperiment fra 1976, men nå av bokstavelig talt hundrevis av bekreftende uavhengige eksperimenter. Ulike laboratorier har nå viklet inn og krenket CHSH-ulikheten med fotonpar, berylliumionepar, ytterbiumionepar, rubidium[{” attribute=””>atom pairs, whole rubidium-atom cloud pairs, nitrogen vacancies in diamonds, and Josephson phase qubits.
Testing Local Realism and the CH inequality was considered by many researchers to be important to eliminate the CHSH loopholes. Considerable effort was thus marshaled, as quantum optics technology improved and permitted. Testing the CH inequality had become a holy grail challenge for experimentalists. Violation of the CH inequality was finally achieved first in 2013 and again in 2015 at two competing laboratories: Anton Zeilinger’s group at the University of Vienna, and Paul Kwiat’s group at the University of Illinois at Urbana–Champaign. The 2015 experiments involved 56 researchers! Local Realism is now soundly refuted! The agreement between the experiments and quantum mechanics now firmly proves that nonlocal quantum entanglement is real.
What are some of the important technological applications of your work?
One application of my work is to the simplest possible object defined by Local Realism—a single bit of information. Local Realism shows that a single quantum mechanical bit of information, a “qubit,” cannot always be localized in a space-time box. This fact provides the fundamental basis of quantum information theory and quantum cryptography. Caltech’s quantum science and technology program, the 2019 $1.28-billion U.S. National Quantum Initiative, and the 2019 $400 million Israeli National Quantum Initiative all rely on the reality of entanglement. The Chinese Micius quantum-encrypted communications satellite system’s configuration is almost identical to that of the Freedman–Clauser experiment. It uses the CHSH inequality to verify entanglement’s persistence through outer space.
Can you tell us more about your family’s strong connection with Caltech?
My dad, Francis H. Clauser [BS ’34, MS ’35, PhD ’37, Distinguished Alumni Award ’66] og hans bror Milton U. Clauser [BS ’34, MS ’35, PhD ’37] var PhD-studenter ved Caltech under Theodore von Kármán. Francis Clauser var Clark Blanchard Millikan professor i ingeniørfag ved Caltech (Distinguished Faculty Award ’80) og leder av Caltechs avdeling for ingeniørvitenskap og anvendt vitenskap. Milton U. Clausers sønn, Milton J. Clauser [PhD ’66]og barnebarn, Karl Clauser [BS ’86] begge gikk til Caltech. Moren min, Catharine McMillan Clauser var Caltechs humanistiske bibliotekar, hvor hun møtte faren min. Broren hennes, Edwin McMillan [BS ’28, MS ’29], er en Caltech alun og ’51 Nobelprisvinner. Familien opprettholder nå Caltechs “Milton and Francis Doctoral Prize” som ble tildelt ved Caltech-start.