Een protocol voor het testen van de kwantumaard van grote objecten – dat in principe zou kunnen werken voor objecten van elke massa – is voorgesteld door onderzoekers in Groot-Brittannië en India. Een belangrijk kenmerk van het protocol is dat het de noodzaak omzeilt om een ​​macroscopische kwantumtoestand te creëren om te testen of de kwantummechanica op grote schaal geldig is. Sommige natuurkundigen zijn er echter niet van overtuigd dat het onderzoek een significante vooruitgang betekent.

De kwantummechanica doet fantastisch werk bij het beschrijven van atomen, moleculen en subatomaire deeltjes zoals elektronen. Grotere objecten vertonen echter doorgaans geen kwantumgedrag zoals verstrengeling en superpositie. Dit kan worden verklaard in termen van kwantumdecoherentie, die optreedt wanneer delicate kwantumtoestanden interageren met luidruchtige omgevingen. Dit zorgt ervoor dat macroscopische systemen zich gedragen volgens de klassieke natuurkunde.

Hoe de kwantummechanica op macroscopische schaal uiteenvalt, is niet alleen theoretisch fascinerend, maar ook cruciaal voor pogingen om een ​​theorie te ontwikkelen die de kwantummechanica verzoent met de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Natuurkundigen willen daarom graag kwantumgedrag in steeds grotere objecten observeren.

Formidabele uitdaging

Het creëren van macroscopische kwantumtoestanden en deze lang genoeg behouden om hun kwantumgedrag te observeren is een enorme uitdaging als het gaat om objecten die veel groter zijn dan atomen of moleculen die in een val worden vastgehouden. De kwantumverstrengeling van trillende macroscopische drumvellen (elk 10 micron groot) door twee onafhankelijke groepen – één in de VS en één in Finland – werd gekozen als Physics World doorbraak van het jaar 2021 voor de experimentele bekwaamheid van de teams.

Het nieuwe protocol is geïnspireerd op de ongelijkheid van Leggett-Garg. Dit is een wijziging van de ongelijkheid van Bell, die beoordeelt of twee objecten kwantummechanisch verstrengeld zijn op basis van de correlatie tussen metingen van hun toestanden. Als de ongelijkheid van Bell wordt geschonden, zijn de metingen zo goed gecorreleerd dat, als hun toestanden onafhankelijk waren, informatie sneller dan het licht tussen de objecten had moeten reizen. Omdat men denkt dat superluminale communicatie onmogelijk is, wordt een schending geïnterpreteerd als bewijs van kwantumverstrengeling.

De ongelijkheid van Leggett-Garg past hetzelfde principe toe op opeenvolgende metingen van hetzelfde object. Een eigenschap van het object wordt eerst gemeten op een manier die – als het een klassiek (niet-kwantum) object is – niet-invasief is. Later wordt er nog een meting gedaan. Als het object een klassieke entiteit is, verandert de eerste meting niets aan de uitkomst van de tweede meting. Als het object echter wordt gedefinieerd door een kwantumgolffunctie, zal de meting het object verstoren. Als gevolg hiervan kunnen correlaties tussen opeenvolgende metingen uitwijzen of het object aan de klassieke of aan de kwantummechanica voldoet.

Oscillerend nanokristal

In 2018, de theoretisch natuurkundige Sougato Bose van het University College London en collega's stelden voor om een ​​dergelijke test uit te voeren op een gekoeld nanokristal dat heen en weer oscilleert in een optische harmonische val. De positie van het nanokristal zou worden bepaald door een lichtstraal op één kant van een val te focussen. Als het licht er zonder verstrooiing doorheen gaat, bevindt het object zich aan de andere kant van de val. Door later dezelfde kant van de val te observeren, kan men berekenen of de Leggett-Garg-ongelijkheid al dan niet wordt geschonden. Als dat zo is, zou een aanvankelijke niet-detectie van het object zijn kwantumtoestand hebben verstoord, en daarom zou het nanokristal kwantumgedrag vertonen.

Het probleem, zegt Bose, is dat de massa twee keer aan dezelfde kant van de val moet worden gemeten. Dit is alleen haalbaar voor massa's met korte oscillatieperioden, omdat de kwantumtoestand tijdens de meting coherent moet blijven. Grote belangstellingsmassa's zullen echter periodes hebben die te lang duren om dit te laten werken. Nu stellen Bose en collega's voor om de tweede meting uit te voeren op een locatie die, als het object de klassieke mechanica volgt, naar verwachting zal zijn bereikt.

“Het is veel beter om naar de plek te gaan waar het heen zou gaan vanwege de normale oscillatie en uit te zoeken hoeveel het verschilt van die plek”, zegt Bose.

Het voordeel van dit schema is dat, zolang het object in een coherente toestand blijft, het mogelijk moet zijn om het experiment uit te voeren voor objecten van elke massa, aangezien het altijd mogelijk is om de verwachte positie van een klassieke harmonische oscillator te berekenen. Het wordt moeilijker om grotere objecten te isoleren, maar Bose gelooft dat deze ogenschijnlijk klassieke toestanden robuuster zijn tegen ruis dan exotische macroscopische kwantumtoestanden zoals superposities.

Systeemevolutie volgen

Kwantumfysicus Vlatko Vedral van de Universiteit van Oxford is het ermee eens dat de aanpak van de onderzoekers voordelen zou kunnen bieden ten opzichte van experimenten waarbij wordt geprobeerd ruimtelijk gescheiden macroscopische kwantumtoestanden te gebruiken. Hij zegt echter dat ‘wat bij deze metingen belangrijk wordt, niet zozeer de begintoestand is, maar de reeks metingen die je doet’, en dat het volgen van de evolutie van het systeem na de eerste meting, zodat de correlaties aan het licht komen, ‘niet zo belangrijk is’. een triviaal probleem”.

Hij staat ook sceptisch tegenover de claim van massa-onafhankelijkheid. “Ik weet in de praktijk niet hoe gemakkelijk dit te realiseren is”, zegt hij, “maar het hangt simpelweg samen met de omvang, want hoe meer subsystemen je hebt, hoe meer lekkage je zult hebben naar het milieu.”

Tony Leggett (die samen met Anupam Garg de ongelijkheid in de jaren tachtig ontwikkelde) is een expert op het gebied van de fundamenten van de kwantummechanica en deelde in 1980 de Nobelprijs voor zijn werk op het gebied van supergeleiding en supervloeistoffen. Nu hij emeritus hoogleraar is aan de Universiteit van Illinois, ziet hij een ander probleem met het werk van Bose en collega's. “Het is heel duidelijk dat deze onderzoekers ervan overtuigd zijn dat de kwantummechanica zal blijven werken – ik heb er niet zoveel vertrouwen in”, zegt hij.

Leggett merkt echter op dat bewijs voor de ineenstorting van de kwantummechanica door de meesten in de natuurkundegemeenschap zou worden geïnterpreteerd als het resultaat van decoherentie – die zou kunnen worden veroorzaakt door een invasieve meting. In tegenstelling tot experimenten met bekende toestanden – waar hij deel van uitmaakte – zegt hij dat Bose en collega’s geen manier presenteren om te testen hoe invasief hun metingen zijn, door bijvoorbeeld hetzelfde meetprotocol te gebruiken voor een andere reeks toestanden.

Het onderzoek is beschreven in een paper dat is geaccepteerd voor publicatie in Physical Review Letters. A voordruk is beschikbaar op arXiv.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/