Een team van wetenschappers heeft ontdekt dat een wet die het bizarre gedrag van zwarte gaten in de ruimte regelt, ook geldt voor koude heliumatomen die in laboratoria kunnen worden bestudeerd.

"Het wordt een verstrengelingsgebiedswet genoemd, " zegt Adrian Del Maestro, een natuurkundige aan de Universiteit van Vermont die het onderzoek leidde. Dat deze wet zowel op de enorme schaal van de ruimte als op de kleine schaal van atomen verschijnt, "is raar, "Del Maestro zegt, "en het wijst op een dieper begrip van de werkelijkheid."

De nieuwe studie werd op 13 maart gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica - en het kan een stap zijn in de richting van een lang gezochte kwantumtheorie van de zwaartekracht en nieuwe ontwikkelingen in kwantumcomputers.

aan de oppervlakte

In de jaren zeventig, beroemde natuurkundigen Stephen Hawking en Jacob Bekenstein ontdekten iets vreemds over zwarte gaten. Ze berekenden dat wanneer materie in een van deze bodemloze gaten in de ruimte valt, de hoeveelheid informatie die het opslokt - wat wetenschappers zijn entropie noemen - neemt slechts zo snel toe als het oppervlak toeneemt, niet zijn volume. Dit zou hetzelfde zijn als meten hoeveel bestanden er in een archiefkast zijn op basis van het oppervlak van de lade in plaats van hoe diep de lade is. Zoals met veel aspecten van de moderne natuurkunde, check je gezond verstand bij de deur.

"We hebben ontdekt dat hetzelfde type wet wordt nageleefd voor kwantuminformatie in supervloeibaar helium, " zegt Del Maestro. Om hun ontdekking te doen, Del Maestro van UVM en drie collega's van de Universiteit van Waterloo in Canada creëerden eerst een exacte simulatie van de fysica van extreem koud helium nadat het van een gas is getransformeerd in een vorm van materie die een superfluïde wordt genoemd:onder ongeveer twee graden Kelvin, heliumatomen - die de tweeledige golf/deeltjes-aard vertonen die Max Planck en anderen ontdekten - worden zo samengeklonterd dat de individuele atomen niet onafhankelijk van elkaar kunnen worden beschreven. In plaats daarvan, ze vormen een coöperatieve dans die de wetenschappers kwantumverstrengeld noemen.

Met behulp van twee supercomputers, inclusief de Vermont Advanced Computing Core bij UVM, de wetenschappers onderzochten de interacties van vierenzestig heliumatomen in een superfluïde. Ze ontdekten dat de hoeveelheid verstrengelde kwantuminformatie die werd gedeeld tussen twee gebieden van een container - een bol van het helium afgescheiden van de grotere container - werd bepaald door het oppervlak van de bol en niet door het volume. Als een holograaf, het lijkt erop dat een driedimensionaal ruimtevolume volledig is gecodeerd op zijn tweedimensionale oppervlak. Net als een zwart gat.

Dit idee was geraden op basis van een natuurkundig principe dat 'lokaliteit' wordt genoemd, maar was nog nooit eerder in een experiment waargenomen. Door een volledige numerieke simulatie van alle attributen van helium te gebruiken, de wetenschappers waren, voor de eerste keer ooit, in staat om het bestaan ​​van de verstrengelingsgebiedswet in een echte kwantumvloeistof aan te tonen.

"Superfluïde helium zou een belangrijke hulpbron kunnen worden - de brandstof - voor een nieuwe generatie kwantumcomputers, " zegt Del Maestro, wiens werk wordt ondersteund door de National Science Foundation. Maar om gebruik te maken van zijn enorme informatieverwerkingspotentieel, hij zegt, "we moeten beter begrijpen hoe het werkt."

Spookachtige buurten

In de jaren 1920, Albert Einstein verwees beroemd - en sceptisch - naar verstrengeling als 'spookachtige actie op afstand'. Sinds die tijd, verstrengeling is door talrijke laboratorium- en theoretische experimenten als echt aangetoond. In plaats van de maximale snelheidslimiet van het universum te trotseren - de snelheid van het licht - lijkt verstrengeling steeds meer te laten zien dat ons menselijk begrip van afstand op macroschaal, en de tijd zelf, illusoir kan zijn. Een paar verstrengelde deeltjes kan een kwantumcommunicatie hebben, schijnbaar elkaars toestand onmiddellijk over mijlen te "kennen". Maar deze intuïtie verwart onze klassieke kijk op de werkelijkheid met een diepere kwantumrealiteit waarin een vorm van informatie - verstrengelingsentropie - wordt "gedelokaliseerd, " verspreid in een systeem, met miljoenen mogelijke staten, of "superposities, " die alleen worden vastgesteld door de actie van meten. (Denk aan Schrödinger's kat - zowel dood als levend.)

"Verstrengeling is niet-klassieke informatie die wordt gedeeld tussen delen van een kwantumtoestand, " merkt Del Maestro op. Het is "de karakteristieke eigenschap van de kwantummechanica die het meest vreemd is aan onze klassieke realiteit."

Kunnen begrijpen, laat staan ​​controle, kwantumverstrengeling in complexe systemen met veel deeltjes is moeilijk gebleken. De waarneming van een verstrengelingsgebiedswet in dit nieuwe experiment wijst in de richting van kwantumvloeistoffen, zoals supervloeibaar helium, als mogelijk medium om verstrikking onder de knie te krijgen. Bijvoorbeeld, de nieuwe studie onthult dat de dichtheid van het superfluïde helium de hoeveelheid verstrengeling reguleert. Dat suggereert dat laboratoriumexperimenten en, eventueel, kwantumcomputers zouden de dichtheid van een kwantumvloeistof kunnen manipuleren als een "mogelijke knop, "Del Maestro zegt, voor het reguleren van verstrikking.

jacht op zwaartekracht

En dit nieuwe onderzoek heeft implicaties voor een aantal fundamentele problemen in de natuurkunde. Tot dusver, de studie van zwaartekracht heeft de inspanningen om het onder de paraplu van de kwantummechanica te brengen grotendeels getrotseerd, maar theoretici blijven zoeken naar verbanden. "Onze klassieke zwaartekrachttheorie is gebaseerd op het exact kennen van de vorm of geometrie van ruimte-tijd, "Del Maestro zegt, maar de kwantummechanica vereist onzekerheid over deze vorm. Een stukje van de brug tussen deze kan worden gevormd door de bijdrage van deze nieuwe studie aan het 'holografische principe':de exotische bewering dat het hele 3D-universum kan worden opgevat als tweedimensionale informatie - of het nu gaat om een ​​gigantisch zwart gat of een microscopisch kleine plas van supervloeibaar helium.