In de quantummechanica is een meting meer dan een observatie. Door te meten, verander je de quantumwazigheid van een quantumdeeltje in een ‘gewone’ toestand. Nieuw onderzoek toont echter aan dat sommige metingen niet alle quantumeigenschappen verwoesten. Een deel blijft na de meting bestaan.

De meeste gebruikte manier om een quantumtoestand uit te leggen, is het gedachte-experiment Schrödingers kat. Zolang je niet kijkt naar deze kat in een doos (niet ‘meet’), bevindt het dier zich in een quantumtoestand; het is levend én dood tegelijkertijd. Zodra je kijkt (‘meet’), zie je een dode óf een levende kat; geen combinatie van die twee. De quantumtoestand is dan veranderd in een gewone, klassieke toestand.

Heino Falcke fotografeerde als eerste een zwart gat: ‘Nog mooier dan ik al die tijd had verwacht’
LEES OOK

Heino Falcke fotografeerde als eerste een zwart gat: ‘Nog mooier dan ik al die tijd had verwacht’

Heino Falcke, hoogleraar radioastronomie, maakte in 2019 de eerste foto van een zwart gat. Op dit moment doet hij onderzoek n ...

Zes quantumtoestanden

In het onderzoek keken Spaanse en Zweedse onderzoekers niet naar een kat, maar naar naar een enkel strontiumatoom. Dit atoom brachten ze in een quantumtoestand met een laser. Voor dit quantumsysteempje betekent dit dat het buitenste elektron van het atoom in verschillende energieniveaus tegelijkertijd zit.

Er zijn drie verschillende energieniveaus betrokken bij deze quantumtoestand. ‘Dat betekent uiteindelijk dat er zes verschillende combinaties mogelijk zijn’, mailt natuurkundige Fabian Pokorny van de Universiteit van Stockholm. Die combinaties zijn allemaal quantumtoestanden. Het elektron van het strontiumatoom heeft dus in totaal zes quantumtoestanden.

Verloren of behouden

Vervolgens stuurden de onderzoekers een korte puls van een andere laser op het atoom af. Daarmee konden ze meten of het elektron in een van de drie energieniveaus zat. Als dat zo was, zou het elektron namelijk een een beetje licht uitzenden. Maar zond het geen licht uit, dan wisten de onderzoekers nog steeds niet in welk van de andere twee niveaus het elektron zat.

Je meet zo alleen de quantumtoestanden waarbij het ene energieniveau dat je meet betrokken is. De quantumtoestanden met dat energieniveau gaan door die meting verloren. Maar de quantumeigenschappen van de twee quantumtoestanden die een combinatie zijn van de andere twee energieniveaus blijven behouden.

Ideale quantummeting

De onderzoekers konden aantonen dat ze met deze meetmethode vier quantumtoestanden veranderden in gewone, klassieke toestanden en dat er twee quantumtoestanden behouden bleven. Een ‘ideale quantummeting’, zoals de Duitse fysicus Gerhart Lüders zo’n meting in de jaren vijftig noemde.

Een strontiumatoom gevangen in een elektrisch veld. Een meting aan dit atoom duurt slechts een miljoenste van een seconde. Bron: F. Pokorny et al.

‘Het quantumsysteem dat de onderzoekers gebruiken, met het enkele strontiumatoom, is erg mooi. Doordat het stabiel blijft na een meting kunnen ze metingen doen die niet op alle quantumtoestanden effect hebben’, zegt natuurkundige Wolfgang Löffler van de Universiteit Leiden, die niet betrokken was bij het onderzoek. ‘Ook als dit onderzoek, zoals ik denk, geen fundamentele nieuwe ontdekkingen bevat, geeft het wel een nieuwe kijk op dit quantumproces en dat is erg leuk en nuttig.’

Pokorney beaamt dat: ‘Niemand met basiskennis van de quantumfysica had een ander resultaat verwacht dan wat wij zagen. Maar in atoomsystemen had nog nooit iemand echt gecontroleerd of wat in de leerboeken staat wel klopt. Het is leuk om te zien dat weer een ander experiment aantoont dat de quantumfysica de wereld van atomen verbazingwekkend goed beschrijft.’

Echt quantum
LEESTIP: in Echt quantum vertelt Martijn van Calmthout hoe de quantumtheorie de hele wereld op zijn kop zette. Te bestellen in onze webshop.