Decennia lang is het concept van kwantumverstrengeling – wat Albert Einstein de beroemde ‘spookachtige actie op afstand’ noemde – voornamelijk gedemonstreerd met behulp van lichtdeeltjes (fotonen) of de interne ‘spin’ van atomen. Een baanbrekend nieuw onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, heeft echter iets fundamenteel anders bereikt: wetenschappers zijn erin geslaagd de fysieke beweging van atomen met elkaar te verweven.
Door het momentum van twee bewegende atomen met elkaar te verbinden, zijn onderzoekers voorbij het rijk van het licht gegaan en naar het rijk van de materie gegaan, waardoor nieuwe deuren zijn geopend voor de manier waarop we zwaartekracht en precisiemetingen begrijpen.
De doorbraak: een verwarrend momentum
In een recent experiment heeft een team onderzoekers aangetoond dat paren ultrakoude heliumatomen kwantummechanisch met elkaar kunnen worden verbonden via hun momentum – de combinatie van de massa en de snelheid van een object.
Hoewel verstrengeling in andere vormen is waargenomen, is dit experiment uniek omdat het deeltjes met massa betreft. Dit onderscheid is van cruciaal belang:
– Fotonen (lichtdeeltjes) hebben geen massa en worden niet beïnvloed door de zwaartekracht.
– Atomen bezitten massa en reageren direct op zwaartekrachten.
Door te bewijzen dat momentum verstrengeld kan zijn, hebben wetenschappers bevestigd dat de vreemde, contra-intuïtieve regels van de kwantummechanica niet alleen van toepassing zijn op licht, maar ook op de fysieke beweging van de materie zelf.
Hoe het experiment werkte
Het onderzoek, geleid door natuurkundigen, waaronder Sean Hodgman van de Australian National University, vereiste extreme omstandigheden en nauwgezette precisie.
1. Een “Quantum Cloud” creëren
Het team begon met een heliumwolk die was afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt. Bij deze temperaturen vertragen de atomen zo erg dat ze hun individuele identiteit verliezen en samensmelten tot één collectieve toestand die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat.
2. De “verstrooiende halo”-methode
Om de verstrengelde paren te creëren, gebruikten de onderzoekers nauwkeurig afgestemde laserpulsen om het condensaat te manipuleren. Ze verdeelden de wolk in drie groepen: één naar boven, één naar beneden en één die stil bleef staan. Terwijl deze wolken zich voortbewogen, botsten de atomen en verspreidden zich in tegengestelde richtingen, waardoor ‘verstrooiende halo’s’ ontstonden: bolvormige schillen van gecorreleerde atoomparen.
3. De “Spookachtige” verbinding bewijzen
Om er zeker van te zijn dat de verbinding echt kwantum was en niet slechts een klassiek toeval, gebruikte het team een Rarity-Tapster-interferometer. Door de atomen terug naar zichzelf te reflecteren om interferentiepatronen te creëren, bewezen ze dat de atomen in een ‘superpositie’ bestonden – een toestand waarin ze zich in wezen op meerdere plaatsen of toestanden tegelijk bevinden totdat ze worden gemeten. De gegevens die gedurende een maand van continu testen werden verzameld, bevestigden dat deze correlaties niet konden worden verklaard door de klassieke natuurkunde.
Waarom dit belangrijk is: van sensoren tot kwantumzwaartekracht
Dit is niet alleen een theoretische overwinning; het heeft diepgaande gevolgen voor de toekomst van de technologie en ons begrip van het universum.
- Ultraprecieze sensoren: Atomen die met momentum verstrengeld zijn, kunnen leiden tot de ontwikkeling van kwantumsensoren die in staat zijn minuscule zwaartekrachtgolven te detecteren of het binnenste van de aarde met ongekende nauwkeurigheid in kaart te brengen.
- De grenzen van de natuurkunde testen: De volgende grens betreft het botsen van verschillende isotopen van helium (helium-3 en helium-4). Hierdoor zouden deeltjes ontstaan die tegelijkertijd verstrikt zijn in zowel momentum als massa.
- De zwaartekrachtpuzzel: Een dergelijk experiment zou de grenzen van de moderne wetenschap verleggen. Huidige raamwerken zoals de algemene relativiteitstheorie hebben moeite om toestanden te beschrijven waar massa- en kwantumverstrengeling elkaar overlappen. Dit zou de essentiële gegevens kunnen opleveren die nodig zijn om een theorie van de kwantumzwaartekracht te ontwikkelen, de ‘heilige graal’ van de natuurkunde die het zeer grote (zwaartekracht) probeert te verenigen met het zeer kleine (kwantummechanica).
“Onze hersenen zijn niet echt uitgerust om dit te verwerken”, merkte Hodgman op. “Atomen zien er op kleine schaal uitgesmeerd uit, geen concrete klodders… En dat lijkt gewoon heel, heel raar.”
Conclusie
Door met succes het momentum van massieve atomen te verstrengelen, hebben natuurkundigen een kloof overbrugd tussen de op licht gebaseerde kwantummechanica en de fysieke wereld van de materie. Deze mijlpaal maakt de weg vrij voor sensoren van de volgende generatie en biedt een nieuwe, uitdagende proeftuin voor de ultieme wetten van de zwaartekracht en de kwantumtheorie.
