Quantumfysica op macroscopische schaal

Waarom werkt de quantummechanica zo goed voor microscopische objecten, maar wordt het gedrag van macroscopische objecten beschreven door de ‘klassieke fysica’? Over deze vraag breken fysici zich al het hoofd sinds de quantumtheorie meer dan honderd jaar geleden werd ontwikkeld. Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft en de Universiteit van Wenen hebben nu een macroscopisch systeem ontworpen dat verstrengeling vertoont tussen mechanische fononen en optische fotonen. Ze hebben de verstrengeling getest met behulp van een Bell-test, een van de meest overtuigende en belangrijke tests om te laten zien dat een systeem zich niet-klassiek gedraagt.

Meteen vanaf de geboorte van de quantumtheorie, meer dan honderd jaar geleden, beseften fysici dat deze wel eens strijdig zou kunnen zijn met sommige basisaxioma’s van de klassieke fysica. In het bijzonder gaat het om de vraag of informatie sneller kan worden uitgewisseld dan de lichtsnelheid (dit principe heet ‘lokaliteit’), en of fysieke entiteiten bestaan onafhankelijk van of ze worden waargenomen of niet (‘realisme’). Beroemd is het verhaal dat Albert Einstein aan zijn biograaf Abraham Pais vroeg of hij echt dacht dat de maan alleen bestond wanneer hij ernaar keek.

Met een verhit debat tussen Einstein en Niels Bohr over deze strijdigheid van axioma’s in de jaren dertig begonnen tientallen jaren van onderzoek naar de correlaties tussen quantumsystemen. Dit fenomeen, dat quantumverstrengeling heet, ontpopte zich tot een van de belangrijkste voorspellingen van de quantummechanica. Werk van John Bell in de jaren zestig maakte de weg vrij naar experimenten (nu algemeen ‘Bell-tests’ genoemd) om deze principes te testen, en het debat werd verrijkt met nieuwe en opwindende resultaten. De meeste quantumexperimenten die tot op heden zijn uitgevoerd, hadden echter betrekking op één of een relatief klein aantal deeltjes.

Quantumcorrelaties
Een team van wetenschappers onder leiding van prof. Simon Gröblacher van de Technische Universiteit Delft is gaan werken met een geheel nieuwe schaal van quantummetingen. Ze hebben een object gemaakt dat correlaties opleverde tussen de trillingsbeweging van optomechanische siliciumoscillatoren bestaande uit ongeveer 10 miljard atomen, en optische modi. De objecten werden binnen een dilutiekoelapparaat afgekoeld tot hun bewegingsgrondtoestand en werden vervolgens gesondeerd met verschillende laserpulsen. Voor specifieke laserfrequenties kan er interactie ontstaan tussen het licht en de objecten, waarbij ofwel de beweging op een gecontroleerde manier wordt geëxciteerd, ofwel de toestand wordt uitgelezen. Wanneer dit gebeurt, ontstaan er correlaties tussen het verstrooide licht en de objecten, die het mogelijk maken om het gedrag van de een perfect te voorspellen aan de hand het gedrag van de ander.

Om te testen of er bij de correlaties in hun systeem quantummechanica aan het werk was en geen klassieke fysica, voerden ze een Bell-test uit. Het foton en het fonon kregen in feite een keuze voorgelegd: het experiment was op zo’n manier opgezet dat ze elk konden worden geregistreerd in een van twee detectoren, en dat beide uitkomsten even waarschijnlijk waren. Daardoor was het onmogelijk om het resultaat voor fotonen of fononen afzonderlijk te voorspellen. Vanwege de correlaties tussen de twee kon er echter voor worden gezorgd dat de fononen altijd een overeenkomstig meetresultaat aan de fotonen doorgaven. In ongeveer 80% van de gevallen bleken ze zich inderdaad zo te gedragen, wat ruim meer is dan de klassieke grenswaarde voor Bell-tests van ongeveer 70%.

Grondige test
Bij de echte Bell-test ging het erom bepaalde experimentele parameters bij te stellen die de twee deeltjes op verschillende manieren beïnvloedden, en werd er gekeken wanneer deze afhankelijkheid ophield te bestaan. Quantummechanisch blijven de meetresultaten van de twee veel langer gecorreleerd dan klassiek gezien is toegestaan. “Dit is de grondigste test tot op heden van een groot object dat zich quantummechanisch gedraagt”, zegt prof. Gröblacher.

Deze resultaten impliceren dat de quantummechanica ook geldt voor het macroscopisch domein. Bovendien kan het object dat de onderzoekers hebben gemaakt, worden vergroot en verbeterd. Gröblacher: “Aangezien ons experimentele protocol onafhankelijk is van de grootte van de oscillator, leggen deze resultaten de basis voor de mogelijkheid om de grens tussen klassieke en quantumfysica te onderzoeken met willekeurig grote objecten, zelfs objecten die met het blote oog te zien zijn.”

Referentie
Igor Marinković*, Andreas Wallucks*, Ralf Riedinger, Sungkun Hong, Markus Aspelmeyer en Simon Gröblacher, ‘An optomechanical Bell test’, Phys. Rev. Lett. 121, 220404 (2018).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.220404

Synopsis in Physics: https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.121.220404

Meer informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:

dr. Simon Gröblacher
Afdeling Quantum Nanoscience
Kavli Institute of Nanoscience
Technische Universiteit Delft
Lorentzweg 1, 2628 CJ Delft
T +31 15 2786124
s.groeblacher@tudelft.nl