Flickr / access.denied

Van gedachte-experiment naar realiteit

Het gedrag en de aard van de fundamentele bouwstenen van onze natuur zijn wezenlijk anders dan we ons in de verste verte kunnen voorstellen. Wanneer je een systeem van inter-acterende atomen steeds verder afpelt, betreed je letterlijk een andere wereld. Hier wordt de scepter gezwaaid door de wetten van de kwantummechanica en in plaats van een exacte voorspelling van de dynamica van deeltjes zijn waarschijnlijkheden wat betreft plaats en snelheid van deeltjes het beste wat er te halen valt.

Elementaire deeltjes reageren zo sterk met hun omgeving dat een klein groepje ervan al bij de geringste verstoring van buitenaf zijn exotische eigenschappen verliest. Gezien de ontvankelijkheid voor verstoringen van dit soort systemen behoorden experimenten met enkele kwantumdeeltjes lange tijd tot het domein van de geest. De laatste decennia hebben we ons de kunst om de vluchtige kwantumdeeltjes te isoleren steeds beter eigen gemaakt. We hebben letterlijk onze grip op de materie vergroot en daarmee de eigenaardigheden van een enkel kwantumdeeltje vanuit het gedachte-experiment naar de experimentele realiteit gebracht. Dit voorbeeld van de vruchtbare band tussen experimentele en theoretische fysica, onder meer een belangrijke stap voor de ontwikkeling van een supercomputer, is dit jaar beloond met en Nobelprijs.

Het is een algemeen verschijnsel in de moderne natuurkunde: hoewel theoretische voorspellingen en experimentele verificaties elkaar wederzijds sterk beïnvloeden, loopt het theoretische werk in de regel enkele decennia voorop. De techniek en kennis om een voorspelling praktisch te bewijzen moet immers nog ontwikkeld worden. Het Higgsdeeltje vormt hierop geen uitzondering: in de jaren zestig op papier voorspeld, onlangs pas opgedoken in de versneller in Genève. Dankzij de beperkingen van veel fysische experimenten zijn de zogenaamde gedachte-experimenten een populair tijdverdrijf van theoretici. De grote Einstein zelf genereerde zijn relativiteitstheorie op soortgelijke wijze.

We hebben letterlijk onze grip op de materie vergroot en daarmee de eigenaardigheden van een enkel kwantum deeltje vanuit het gedachte-experiment naar de experimentele realiteit gebracht.

De winnaars van de Nobelprijs natuurkunde Serge Haroche en David Wineland zijn er in geslaagd om één enkel deeltje, beheerst door de kwantumwetten, te isoleren van zijn omgeving. Hiermee maakten zij het daadwerkelijk experimenteel meten en manipuleren van een kwantumdeeltje mogelijk, zonder zijn haast ‘buitenaardse’ toestand teniet te doen. Gezien de 25 jarige vriendschap van het wetenschapsduo zal een positieve concurrentiestrijd vast hebben bijgedragen aan het feit dat ze nu de 1.2 miljoen dollar van het Zweedse Nobelcomité mogen verdelen. Met hun eigen onderzoeksgroep speelden ze een variatie klaar op hetzelfde thema: het ‘bevoelen’ van een systeem dat zich in een dans bevindt van sterke wisselwerking tussen materie en licht, of beter gezegd, atoom en foton.

Een berucht gedachte-experiment dat dit probleem illustreert is dat van Schrödinger’s kat. Het opgesloten beest is dood of levend aangezien zijn leven afhangt van een hypergevoelig kwantumsysteem dat met een bepaalde waarschijnlijkheid noodlottig kan zijn. Zolang de doos gesloten blijft zijn we onwetend over zijn status, openen betekent echter direct een beslissing tussen leven en dood. Haroche en Wineland verzonnen een list! Ze kregen het voor elkaar om de kat te bespioneren zonder zijn status aan te tasten.

De dans die de Amerikaan Wineland uitvoerde was die van een bijna stilstaand ion gevangen tussen elektrodes waarbij het ion zich in een superpositie verkeerde van twee energieniveaus. Dit is voor te stellen als dood en levend tegelijk in de kattenanalogie, een hele normale toestand voor kwantumdeeltjes. Door dit elektrisch geladen atoom te beschieten met fotonen met een precies afgepaste golflengte kon hij een bijzonder soort resonantie tussen het lichtdeeltje en het atoom teweegbrengen. Hij slaagde erin een zogenaamde superpositie tussen de energieniveaus overbrengen op een superpositie tussen twee zogenaamde vibratiemodi van het ion. Deze speciale triltoestanden kunnen overgebracht worden op een volgend ion en via een slimme manier gemeten worden.

De Fransman Haroche deed eigenlijk precies het omgekeerde: hij stuurde een atoom (de spion) door een zogenaamde optische val. Niet het eerste het beste atoom maar opnieuw een ion dat zich in een superpositie van twee energietoestanden bevindt. Een optische val is een kleine ruimte omgeven door ongelooflijk goede spiegels: een enkel lichtdeeltje kaatst hierin bijna een miljard keer op en neer voordat het wordt geabsorbeerd. Tijdens zijn reis tussen de spiegels waarin het foton hysterisch langsraast wordt het ion meer of minder richting een van zijn energieniveaus geduwd (in jargon: hij ondergaat een faseverschuiving). Door de mate van deze verschuiving te meten kan men te weten komen of er zich wel of geen foton in de spiegelwereld bevond, zonder dat het atoom of het foton uit zijn kwantumtoestand is getrokken.

Gezien de abstracte taal en lastige experimenten spreken de resultaten niet direct tot de verbeelding. De insider weet echter dat de speeltuin die kleine kwantumsystemen ons kan bieden een potentie bevat die elke voorstelling te boven gaat.

Door het Nobelprijscomité werden Haroche en Wineland geroemd wegens hun buitengewone controle over de precaire kwantumtoestand van de ionen in hun opstelling. Een controle die tot voor kort voor onbereikbaar en bovenal onbestudeerbaar werd gehouden. Maar waar is dit nu voor te gebruiken? Gezien de abstracte taal en lastige experimenten spreken de resultaten niet direct tot de verbeelding. De insider weet echter dat de speeltuin die kleine kwantumsystemen ons kan bieden een potentie bevat die elke voorstelling te boven gaat. Wanneer de controle op bizarre fenomenen zoals superpositie en verstrengelde deeltjes in onze handen liggen, ligt er een scala aan toepassingen te wachten die onze wereld kunnen veranderen op een ingrijpende manier. Ultrasnelle computers, niet te kraken versleutelingen en klokken die honderd keer nauwkeuriger zijn dan de beste huidige klokken zijn de bekendste voorbeelden.

Het baanbrekende werk van de Nobelprijswinnaars van dit jaar geeft antwoord op de vraag waar we nu staan in onze mogelijkheid om een kwantumsysteem te conserveren. Na verloop van tijd verliezen we onze grip op de vluchtige kwantumsystemen en vertonen ze weer het gedrag dat we klassiek noemen. Ondanks het feit dat de hier beschreven vorderingen veelbelovend zijn, is er nog een steile weg te bewandelen voor experimentele kwantumfysica alvorens we een supercomputer met kwantumtechnologie kunnen vasthouden. De prijs geeft in ieder geval een impuls aan het vruchtbare onderzoek in dit veld.

Gerelateerde artikelen
Reacties
1 Reactie

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Naar boven