Natuurkundigen hebben voor het eerst twee atoomklokken met elkaar verstrengeld. Daardoor kunnen de klokken nauwkeuriger worden gesynchroniseerd. Met verstrengelde klokken kunnen fysici mogelijk donkere materie en zwaartekracht in meer detail bestuderen.

Voor het eerst zijn twee atoomklokken met elkaar verbonden door middel van quantumverstrengeling. Dat is een eigenschap die de klokken intrinsiek aan elkaar koppelt, zodat veranderingen in de ene klok onmiddellijk gevolgen hebben voor de andere. De verbinding maakt het gemakkelijker de klokken te synchroniseren. Dat kan van pas komen om nauwkeurigere metingen aan donkere materie en zwaartekracht te verrichten.

Atoomklokken bestaan uit atomen die zeer nauwkeurig worden beheerst door lasers. Elke ‘tik’ komt overeen met een herhaaldelijke, meetbare verandering in energie die optreedt in de elektronen van de atomen. Het resultaat is een klok die honderden miljoenen keren nauwkeuriger is dan een standaardklok.

De Amazone verandert in savanne – we hebben nog vijf jaar om het gebied te redden 
LEES OOK
De Amazone verandert in savanne – we hebben nog vijf jaar om het gebied te redden 

Het nauwkeurig gelijkzetten van twee atoomklokken is echter een uitdaging. Het meten van een atoomklok verstoort de atomen namelijk zodanig dat dit tot meetfouten leidt. Als je atoomklokken met elkaar verstrengelt, hoef je ze minder vaak te meten om ze gelijk te zetten.

Toestandsmeter

Natuurkundige Bethan Nichol van de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk en haar collega’s verstrengelden twee atoomklokken die twee meter uit elkaar stonden. Ze waren elk opgebouwd uit één strontiumatoom.

Met een laser voorzag het team de strontiumatomen van energie, zodat die blauw licht gingen uitstralen. Het blauwe licht van elk atoom ging vervolgens door een optische vezel naar een apparaat dat een Bell-toestandsmeter wordt genoemd. Die manipuleerde hun quantumtoestanden zodanig dat de oorspronkelijke atomen verstrengeld raakten.

Het meten van één klok gaf nu informatie over beide. Hierdoor konden de onderzoekers het verschil in hoe vaak de twee klokken tikten meten met een onzekerheid van ongeveer 7 procent, vergeleken met 28 procent als ze niet verstrengeld waren.

Dicht bij de limiet

De onderzoekers zouden de foutmarge nog verder kunnen verlagen door meer tijd te besteden aan de metingen. Met verstrengelde klokken kost het twee keer zo weinig tijd om een bepaalde nauwkeurigheid te bereiken als met niet-verstrengelde klokken.

Volgens de wetten van de quantumfysica is het onmogelijk om de tikfrequentie met perfecte nauwkeurigheid te meten, zegt co-auteur Raghavendra Srinivas van de Universiteit van Oxford. Maar in dit experiment zijn we heel dicht bij de limiet gekomen, zegt hij.

Als het experiment kan worden herhaald met meer klokken of met de klokken verder uit elkaar – mogelijk zelfs in twee aparte laboratoria – kan dit het onderzoek naar donkere materie of zwaartekracht vooruithelpen, zegt natuurkundige Shimon Kolkowitz van de Universiteit van Wisconsin-Madison in de VS. Stel dat bijvoorbeeld tussen de verstrengelde klokken een klompje donkere materie zou bewegen. Dan zou dat het verschil tussen hun tikfrequenties veranderen. Netwerken van verstrengelde klokken zouden zulke veranderingen zeer nauwkeurig kunnen meten. Volgens Kolkowitz geldt dat ook voor kleine veranderingen in de sterkte van de zwaartekracht.