Kwantumfysica in een druppel verf

Kwantumeffecten aantonen met licht in verf, met miljoenen deeltjes die het licht willekeurig verstrooien, lijkt onbegonnen werk. Bij de experimenten die laten zien dat licht soms een golf is en soms een deeltje, zoals het uit de natuurkundeboeken bekende ‘tweespletenexperiment’ van Young, is het aantal wegen dat het licht kan afleggen, zo overzichtelijk mogelijk. Onze intuïtie heeft het er al moeilijk genoeg mee, lijkt de gedachte.

Gearmd naar buiten

Toch lukt het promovendus Tom Wolterink en zijn collega’s om aan te tonen dat twee fotonen – lichtdeeltjes – die op een druppel (opgedroogde) verf vallen, slechts door twee uitgangen naar buiten kunnen. Volgens het ‘Hong-Ou-Mandel effect’ komen de fotonen dan samen door één van de twee uitgangen naar buiten; van te voren is echter niet bekend welke. Alsof je twee dronken mensen een doolhof in stuurt en ze altijd gearmd door dezelfde uitgang naar buiten komen. Terwijl er duizenden routes zijn binnenin de verf, is het aantal mogelijkheden uiteindelijk minimaal. Dat kan door het invallende licht op een slimme manier te programmeren. De twee invallende lichtpatronen, die elk slechts één foton bevatten, zorgen er door reflectie en interferentie binnenin de verf voor dat de fotonen slechts twee denkbare uitgangen krijgen.

Uit de weg gaan

Door de invallende lichtpatronen net iets anders te programmeren, weten de onderzoekers ook het tegenovergestelde te bereiken. Opnieuw beïnvloeden ze dan de wisselwerking van het licht, opnieuw zijn er ook slechts twee uitgangen. Maar als het ene foton door de ene uitgang naar buiten komt, zal het andere foton altijd het andere kiezen. Terwijl zwakke lichtpulsen elkaar, normaal gesproken, niet voelen, lijken ze elkaar uit de weg te gaan. Experimenteel is het aan te tonen, maar zoals vaak in de kwantumfysica, lijkt ook hier onze intuïtie ons in de steek te laten.

Precieze controle van kwantumlicht kan bijvoorbeeld toepassingen krijgen in de kwantum-informatieverwerking en in geavanceerde beveiligingstechnieken.

Het onderzoek is uitgevoerd door de groepen Complex Photonic Systems (COPS) en Laser Physics & Nonlinear Optics, die deel uitmaken van het Mesa+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente. Het is gefinancierd door de Stichting FOM, Technologiestichting STW en via de Vici-subsidie van NWO die prof. Pepijn Pinkse in 2013 ontving.

Het paper ‘Programmable two-photon quantum interference in 10³ channels in opaque scattering media’ door Tom Wolterink, Ravitej Uppu, Georgios Ctistis, Willem Vos, Klaus Boller en Pepijn Pinkse, verschijnt in Physical Review A van 11 mei 2016.