Stel je voor dat je lichaam in de ene ruimte is en je persoonlijkheid in de andere. Hoewel dit niet in de echte wereld voorkomt, is iets soortgelijks wel mogelijk in de quantumwereld. Een internationaal team van wetenschappers scheidde namelijk deeltjes van hun eigenschappen.

1406653689711_wps_14_Radioisotopes_Cancer_Ther
De neutronenbron van het Laue-Langevin Instituut die de natuurkundigen gebruikten om deeltjes van hun eigenschappen te scheiden. Credit: Laue-Langevin Instituut

De kolderkat (Cheshire cat) uit Alice in Wonderland kan verdwijnen in het niets en laat alleen zijn lach achter. Opmerkelijk genoeg wist een team van internationale wetenschappers dit ook voor elkaar te krijgen bij neutronen. Ze wisten de eigenschappen van neutronen te scheiden van de deeltjes zelf. Ze publiceerden hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Om de deeltjes van hun eigenschappen te scheiden, gebruikten de wetenschappers een apparaat genaamd een interferometer. Dat apparaat splitst een neutronenstraal in twee banen die aan het eind weer bij elkaar komen. Door die interferometer schoten de fysici één voor één neutronen.

Baseer wiskundeopgaven op maatschappelijke kwesties
LEES OOK

Baseer wiskundeopgaven op maatschappelijke kwesties

Wanneer wiskunde wordt gekoppeld aan vragen die voor leerlingen relevant zijn, kan dat he ...

De neutronen in de paden hebben een verschillende spin. Spin is het magnetische moment van een deeltje. Het is voor te stellen als een tol die rechtsom of linksom draait. Neutronen met spin-op bovonden zich in de opstelling altijd in het bovenste pad, en neutronen in het onderste pad hadden altijd spin-neer. Aan het eind komen beide paden weer bij elkaar en meet een detector alleen die neutronen die spin-op hebben.

Zoektocht naar deeltjes en spin

De natuurkundigen hoopten met die opstelling te ontdekken of deeltjes los van hun eigenschappen kunnen voorkomen. Daarvoor bepaalden zij eerst in welk pad de deeltjes zich bevonden. De natuurkundigen plaatsten daarom een filter dat neutronen absorbeert in een van de twee paden. Wanneer zij dat filter in het onderste pad plaatsen, nam de detector geen verschil waar in de hoeveelheid neutronen. Dat is logisch omdat in het onderste pad alle deeltjes spin-neer hebben, en de detector deeltjes met spin-op meet. Wanneer zij het filter in het bovenste pad plaatsen, werd wel een verschil gemeten. Ook dat is logisch, omdat daar deeltjes met spin-op zitten. De onderzoekers concludeerden dat deneutronen zich in inderdaad in het bovenste pad bevonden.

Daarop wilden de onderzoekers bepalen waar de spin, de eigenschap van het deeltje, zich bevond. Daarvoor gebruikten zij een meting met een zogeheten zwak magnetisch veld, dat de spin een heel klein beetje aanpast. In tegenstelling tot gebruikelijke metingen, laat zo’n zwak magnetisch veld de quantumeigenschappen van de deeltjes intact. Tot hun verbazing gebeurde er niets wanneer ze de spin van deeltjes in de bovenste baan aanpasten, maar toen zij dat in het onderste pad deden, maten ze wel een verschil. Dat is opmerkelijk, omdat je op voorhand zou verwachten dat alleen een magneetveld op het bovenste pad effect zou moeten hebben – daar bewegen immers de deeltjes met spin-op, en alleen die deeltjes worden door de detector gemeten. De onderzoekers concludeerden dat de eigenschap van het deeltje, de spin, door de onderste baan bewoog terwijl het deeltje zelf de bovenste baan koos. Die scheiding duurde totdat de eigenschap en het deeltje weer bij elkaar kwamen vlak voordat het deeltje op de detector terecht kwam. Op deze manier is het in theorie mogelijk dat wetenschappers de deeltjes en hun eigenschap, de spin, afzonderlijk bestuderen.

Het is nog maar de vraag of natuurkundigen de deeltjes ook echt wisten te scheiden, geeft ook onderzoeksleider Tobias Denkmayr van de Vienna University of Technology toe. ‘Uit de metingen blijkt dat het lijkt alsof de deeltjes van hun eigenschap gescheiden zijn. Het hangt totaal van je interpretatie van de quantummechanica af, of je gelooft dat de deeltjes en hun eigenschap gescheiden zijn of niet’, zegt hij.

Net zoals de kat uit Alice in Wonderland kunnen deeltjes scheiden van hun eigenschappen. Credit: Leon Filter
Net zoals de kat uit Alice in Wonderland kunnen deeltjes scheiden van hun eigenschappen. Credit: Leon Filter

Quantumcomputer

Met dit principe kunnen wetenschappers mogelijk de eigenschappen van deeltjes nauwkeuriger bestuderen. De eigenschappen van deeltjes beïnvloeden elkaar normaal gesproken, zodat het moeilijk is om een losse eigenschap te bestuderen. Met dit nieuwe principe kunnen zij een hinderlijke eigenschap scheiden van een deeltje, waardoor de overige eigenschappen beter te bestuderen zijn.

Denkmayr denkt dat zijn vinding mogelijk ook een toepassing kan vinden in quantumcomputers die hun informatie opslaan in qubits, hoewel hij benadrukt dat hij op dat gebied geen expert is. ‘Quantumcomputers zijn nogal gevoelig voor storingen. Als blijkt dat die storingen komen door eigenschappen van een quantumsysteem kan het kolderkatprincipe mogelijk die verstoringen scheiden van het systeem’, zegt hij. ‘Daardoor zijn quantumcomputers mogelijk een stuk stabieler.’

Lees verder: