Een onderzoek naar hoe het gedrag van een enkele quantumbit door de tijd heen verandert, heeft een intrigerende gelijkenis aan het licht gebracht met de geometrie van de driedimensionale ruimte.
In de 19e eeuw gingen natuurkundigen ervan uit dat ruimte gescheiden was van tijd. Tegenwoordig is het idee dat dat de vierdimensionale ruimtetijd het fundamentele weefsel van de fysieke werkelijkheid is. Twee onderzoekers vermoeden nu dat de wetenschappers in de 19e eeuw toch gelijk hadden. Hun conclusie, die voortkomt uit het gedrag van quantumbuts (of qubits), zet namelijk vraagtekens bij het heersende idee.
Quantumgedrag
Een qubit is een object dat twee mogelijke toestanden heeft – bijvoorbeeld een zogeheten spin omhoog of omlaag. Doordat een qubit quantumgedrag vertoont, kan het ook combinaties van die twee toestanden vertonen. Dit fenomeen – dat bekend staat als superpositie – komt niet voor bij objecten zoals wij ze kennen uit het dagelijks leven.
Jumbojets op batterijen: groene droom of luchtfietserij?
Elektrisch vliegen klinkt als de oplossing voor groene luchtvaart. Is dit mogelijk of zijn er een andere opties?
Al jaren vinden natuurkundigen dat de wiskunde waarmee je qubit-toestanden kunt beschrijven er ‘sterk op wijst’ dat er een dieper verband is met de geometrie van de ruimte, zegt natuurkundige Vlatko Vedral van de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk. Nu komen hij en natuurkundige James Fullwood van de Hainan-universiteit in China met een wiskundig argument voor hoe de geometrie van de ruimte gecodeerd kan zijn in het tijdsgebonden gedrag van een qubit.
Van tijd naar ruimte
Ze begonnen met een wiskundig model voor een enkele qubit die een experimentator in de loop van een bepaalde tijd aan een reeks metingen kan onderwerpen. Binnen dit model – en zonder iets aan te nemen over de begintoestand van de qubit – analyseerden ze wat de verbanden tussen de uitkomsten van zulke metingen zouden zijn als ze gedurende verschillende tijdsintervallen werden bekeken. Simpel gezegd kijk je hierbij of wat de qubit vandaag doet gerelateerd is aan wat het de afgelopen 24 uur deed, de afgelopen 48 uur, enzovoort.
Ze ontdekten dat de structuur van deze correlaties wiskundig vergelijkbaar is met de wiskundige beschrijving van de driedimensionale ruimte. Meer specifiek haalden de onderzoekers uit het gedrag van een qubit in de tijd een wiskundige formule voor het meten van afstanden in de ruimte – de zogenaamde ‘euclidische metriek’.
Vedral zegt dat de geometrie van de ruimte waarin wij leven complexer is dan de versie die zij hiermee ontdekten. Maar volgens de onderzoekers zou het achterhalen van die euclidische metriek vanuit zo’n minimale opstelling en zonder voorkennis van de qubit toch een aanwijzing kunnen zijn dat ruimte gerelateerd is aan tijd en quantuminformatie. ‘Het is interessant dat een enkele qubit volstaat om een volledig driedimensionale euclidische ruimte te verkrijgen’, zegt hij.
Gescheiden
Dit resultaat heeft nog een prikkelende implicatie: tijd lijkt op de een of andere manier gescheiden te zijn van ruimte. De geometrie van de ruimte kan namelijk worden afgeleid uit de tijd. Ruimte en tijd worden doorgaans beschouwd als componenten van een vierdimensionaal continuüm dat we ruimtetijd noemen en dat ten grondslag ligt aan onze fysieke wereld. Ze uit elkaar halen zou in strijd zijn met de wetten van de speciale relativiteit van Albert Einstein en is daarom een controversieel idee onder natuurkundigen.
Er zijn ook andere onderzoekers die stellen dat ruimte en tijd gescheiden moeten worden. Volgens natuurkundige Lee Smolin van het Perimeter-instituut in Canada is tijd bijvoorbeeld fundamenteler dan ruimte. Maar hij denkt niet dat tijd bestaat op een manier die kan worden vastgelegd met de vergelijkingen in de nieuwe studie. Zijn hypothese, die niet gangbaar is onder vakgenoten, is dat ‘tijd niet iets is dat bevroren is of structuur nodig heeft.’ Het moet, volgens Smolin, begrepen worden als een opeenvolging van huidige momenten die na elkaar plaatsvinden – zonder een fysiek betekenisvol, of kenbaar, verleden of toekomst.
Wiskundige vragen
Natuurkundige Thomas Galley van het Instituut voor Quantumoptica en Quantuminformatie in Wenen zegt dat het misschien intuïtief is om te denken dat tijd anders is dan ruimte. Zo ervaren we het immers. Maar begrijpen wat dat wiskundig betekent in de context van qubits is lastig. Galley vindt het nieuwe onderzoek weliswaar interessant, maar wijst erop dat het geen exact mechanisme noemt waarmee ruimte uit de qubit en tijd zou ontstaan. Bovendien is de stelling dat ‘qubit plus tijd gelijk is aan ruimte’ misschien niet uniek, zegt Galley. Het is namelijk niet uitgesloten dat je nog steeds een euclidische metriek kunt krijgen als je de qubit verwisselt voor een ingewikkelder quantumobject.
Vedral zegt dat het misschien mogelijk is om sommige van deze theoretische ideeën in de toekomst te testen met experimenten. Ultrakoude quantumobjecten kunnen superpositietoestanden aannemen zoals de qubit in dit nieuwe werk. Maar er zullen waarschijnlijk nog veel wiskundige vragen overblijven – wat betekent dat natuurkundigen nog jaren kunnen debatteren over hoe we over ruimtetijd moeten denken. ‘Misschien is ruimtetijd wel fictie, in de zin dat dit concept ons in staat stelt te praten over dingen die in het universum gebeuren, maar dat we het uiteindelijk niet echt nodig hebben’, zegt Vedral.
