Een zoektocht naar de meest paradoxale quantumtoestanden van deeltjes leidde onderzoekers tot het uitvoeren van een 37-dimensionaal experiment.
Onderzoekers van de Technische Universiteit van Denemarken hebben een experiment uitgevoerd met lichtdeeltjes die in 37 dimensies tegelijkertijd bestaan. Dat deden ze om een extreme variant van een quantumparadox te testen.
‘Dit experiment toont aan dat quantumfysica nog minder klassiek is dan we dachten. Mogelijk zien we, zelfs honderd jaar na de ontdekking, slechts het topje van de ijsberg’, zegt onderzoekersleider Zhenghao Liu.
Natuurkundige wint prijs met boek over wis- en natuurkunde: ‘Het is als woordjes leren, dat moet je een paar keer oefenen’
Wis- en natuurkunde worden vaak gezien als ‘moeilijke’ vakken. Toch bekroonde een scholierenjury vorig jaar een boek over ...
Spookachtig
Liu en zijn collega’s richtten zich op de Greenberger-Horne-Zeilinger-paradox, kortweg de GHZ-paradox. De basis van deze paradox is dat quantumdeeltjes meer dan dertig jaar met elkaar verbonden kunnen blijven over grote afstanden. In de eenvoudigste versie van de paradox zijn drie deeltjes met elkaar verbonden door quantumverstrengeling. Dat is een speciale verbinding die waarnemers in staat stelt om iets over één deeltje te weten te komen door de andere twee te bekijken.
Als we aannemen dat de deeltjes elkaar alleen kunnen beïnvloeden als ze dicht bij elkaar in de buurt zijn – ofwel, als ze geen ‘spookachtige’ verbinding op afstand mogen aangaan – dan stranden vergelijkingen die dit fenomeen proberen te beschrijven in wiskundige onmogelijkheden. De vergelijkingen leiden zelfs tot een berekening die stelt dat 1 en -1 aan elkaar gelijk zijn, wat niet waar kan zijn. In de jaren negentig realiseerden natuurkundigen zich dat de enige manier om deze problemen te vermijden, was om te accepteren dat deeltjes wél op afstand met elkaar verbonden kunnen zijn.
Liu en zijn collega’s wilden de meest extreme versie van deze paradox tot nu toe testen. Specifiek wilden ze toestanden van lichtdeeltjes vinden waarvan het gedrag in een GHZ-experiment het meest zou verschillen van dat van deeltjes die zich klassiek (dus niet volgens quantumregels) gedragen.
37 dimensies
Hun berekeningen toonden aan dat lichtdeeltjes zich in quantumtoestanden moesten bevinden die zo complex waren dat ze zich gedroegen alsof ze in 37 dimensies bestonden. Van een ‘gewoon’ object, zoals een bureau of een mens, is de positie te beschrijven met drie ruimtelijke dimensies en één tijdsdimensie. Maar de positie van zo’n lichtdeeltje vastleggen, vergde 37 van zulke referentiepunten.
Om dit idee te testen, vertaalden de onderzoekers een meerdimensionale versie van de GHZ-paradox naar een reeks lichtpulsen van uiterst ‘coherent’ licht. Dat is licht met een extreem constante kleur en golflengte. Die pulsen konden ze vervolgens manipuleren.
Niet-klassieke effecten
‘De toestand die wordt nagebootst door het licht en de meting ervan, volgen dezelfde wiskundige principes als de quantumfysica. Ons experiment kan dus enkele van de meest niet-klassieke effecten in de quantumwereld produceren’, zegt Liu. Hij benadrukt dat deze vorm van quantumsimulatie technisch zeer uitdagend is. Het vereist stabiele, nauwkeurig gekalibreerde apparatuur.
‘Dit is een resultaat ‘voor de eeuwigheid’, in de zin dat het over honderd jaar relevant kan zijn’, zegt quantumwetenschapper Otfried Gühne van de Universiteit van Siegen in Duitsland. Hij merkt op dat het nieuwe werk meer doet dan alleen het aftasten van de grenzen van quantum. Het kan ook gevolgen hebben voor de manier waarop quantumtoestanden van licht en atomen worden gebruikt voor informatieverwerking, zoals bij quantumcomputers.
