Kwantumfysica op macroscopische schaal

Ze hebben de verstrengeling getest met behulp van een Bell-test, een van de meest overtuigende en belangrijke tests om te laten zien dat een systeem zich niet-klassiek gedraagt.

Meteen vanaf de geboorte van de kwantumtheorie, meer dan honderd jaar geleden, beseften fysici dat deze wel eens strijdig zou kunnen zijn met sommige basisaxioma’s van de klassieke fysica. In het bijzonder gaat het om de vraag of informatie sneller kan worden uitgewisseld dan de lichtsnelheid (dit principe heet lokaliteit), en of het bestaan fysieke entiteiten afhangt van of ze worden waargenomen (realisme). Beroemd is het verhaal dat Albert Einstein aan zijn biograaf Abraham Pais vroeg of hij echt dacht dat de maan alleen bestond wanneer hij ernaar keek.

Met een verhit debat tussen Einstein en Niels Bohr over deze strijdigheid van axioma’s in de jaren dertig begonnen tientallen jaren van onderzoek naar de correlaties tussen kwantumsystemen. Dit fenomeen, dat kwantumverstrengeling heet, ontpopte zich tot een van de belangrijkste voorspellingen van de kwantummechanica. Werk van John Bell in de jaren zestig maakte de weg vrij naar experimenten (de Bell-tests) om deze principes te testen, en het debat werd verrijkt met nieuwe en opwindende resultaten. De meeste kwantumexperimenten die tot op heden zijn uitgevoerd, hadden echter betrekking op één of een relatief klein aantal deeltjes.

Kwantumcorrelaties

Een team van wetenschappers onder leiding van Simon Gröblacher van de TU Delft is gaan werken met een geheel nieuwe schaal van kwantummetingen. Ze hebben een object gemaakt dat correlaties opleverde tussen de trillingsbeweging van optomechanische siliciumoscillatoren bestaande uit ongeveer 10 miljard atomen, en optische modi. De objecten werden binnen een dilutiekoelapparaat afgekoeld tot hun bewegingsgrondtoestand en werden vervolgens gesondeerd met verschillende laserpulsen. Voor specifieke laserfrequenties kan er interactie ontstaan tussen het licht en de objecten, waarbij ofwel de beweging op een gecontroleerde manier wordt geëxciteerd, ofwel de toestand wordt uitgelezen. Wanneer dit gebeurt, ontstaan er correlaties tussen het verstrooide licht en de objecten, die het mogelijk maken om het gedrag van de een perfect te voorspellen aan de hand het gedrag van de ander.

Om te testen of er bij de correlaties in hun systeem kwantummechanica aan het werk was en geen klassieke fysica, voerden ze een Bell-test uit. Het foton en het fonon kregen in feite een keuze voorgelegd: het experiment was op zo’n manier opgezet dat ze elk konden worden geregistreerd in een van twee detectoren, en dat beide uitkomsten even waarschijnlijk waren. Daardoor was het onmogelijk om het resultaat voor fotonen of fononen afzonderlijk te voorspellen. Vanwege de correlaties tussen de twee kon er echter voor worden gezorgd dat de fononen altijd een overeenkomstig meetresultaat aan de fotonen doorgaven. In ongeveer 80% van de gevallen bleken ze zich inderdaad zo te gedragen, wat ruim meer is dan de klassieke grenswaarde voor Bell-tests van ongeveer 70%.

Grondige test

Bij de echte Bell-test ging het erom bepaalde experimentele parameters bij te stellen die de twee deeltjes op verschillende manieren beïnvloedden, en werd er gekeken wanneer deze afhankelijkheid ophield te bestaan. Kwantummechanisch blijven de meetresultaten van de twee veel langer gecorreleerd dan klassiek gezien is toegestaan. "Dit is de grondigste test tot op heden van een groot object dat zich kwantummechanisch gedraagt", zegt Gröblacher.

Deze resultaten impliceren dat de kwantummechanica ook geldt voor het macroscopisch domein. Bovendien kan het object dat de onderzoekers hebben gemaakt, worden vergroot en verbeterd. Gröblacher: "Aangezien ons experimentele protocol onafhankelijk is van de grootte van de oscillator, leggen deze resultaten de basis voor de mogelijkheid om de grens tussen klassieke en kwantumfysica te onderzoeken met willekeurig grote objecten, zelfs objecten die met het blote oog te zien zijn."