Een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuwe manier voorgesteld om atomen of ionen niet van elkaar te onderscheiden door hun posities te verwisselen. Van deze deeltjes wordt dan verwacht dat ze exotische eigenschappen vertonen. Bij de studie waren natuurkundigen van de Universiteit van Bonn betrokken, de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen, en de Universiteit van Californië. Het werk is nu gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Stel je voor dat je het spel "Find the Lady" speelt - in feite, een heel simpele versie ervan:de croupier is geen doorgewinterde oplichter, maar eerder een door en door eerlijke vrouw. En op de tafel voor haar staan ​​slechts twee kopjes, niet drie. Deze zijn gemaakt van zwart plastic en lijken zoveel op elkaar dat je - hoe je ook probeert - je het een niet van het ander kunt onderscheiden.

De croupier beweegt beide kopjes heen en weer. Haar bewegingen zijn erg snel en behendig. Hoe dan ook, met een beetje concentratie, je slaagt erin om haar bewegingen te volgen. Aan het einde, u kunt correct aangeven welke van de kopjes oorspronkelijk links en welke rechts stond.

Maar wat zou er gebeuren als je je ogen sluit als de kopjes worden verplaatst? In dit geval, je kunt alleen maar raden. Ten slotte, aan u, beide kopjes zien er volledig identiek uit. Natuurlijk, ze zijn niet echt zo - beker 1 blijft beker 1, hoe vaak het ook van plaats wisselt met beker 2.

Echter, in de wereld van de kleinste dingen, experimenten kunnen worden uitgevoerd waarin het ding van identiteit niet zo duidelijk is. Het spelen van een spel zoals "Find the Lady" in de kwantumwereld is nu voorgesteld door natuurkundigen van het Institute of Applied Physics (IAP) van de Universiteit van Bonn samen met hun collega's uit Oostenrijk en de VS.

Op verschillende plaatsen tegelijk

In de kwantumwereld de kopjes worden vervangen door twee atomen die zich precies in dezelfde atomaire toestand bevinden. "Dergelijke atomen kunnen worden geproduceerd in gespecialiseerde laboratoria met de modernste technieken, " legt prof. Dieter Meschede van het IAP uit. "Ze zijn eigenlijk helemaal hetzelfde en verschillen alleen door de positie waarop ze zich bevinden."

Als je "Find the Lady" speelt in de wereld van atomen, je hebt wat extra vrijheid. Bijvoorbeeld, onderzoekers kunnen rekenen op het kwantummechanische fenomeen waarbij deeltjes tegelijkertijd op twee verschillende plaatsen kunnen zijn. Door slim gebruik te maken van dit fenomeen, atoom 1 en 2 kunnen, met een beetje geluk, wisselen van plaats zonder dat iemand het merkt.

Met andere woorden:aan het einde van de kwantummanipulatie, de waarnemer kan - uit principe - niet zeggen of atoom 1 eigenlijk nog atoom 1 is of dat het is verwisseld met atoom 2. Voor standaard kopjes, het zou nog steeds mogelijk zijn om ze betrouwbaar uit elkaar te houden met behulp van hun kleinste verschillen, zoals een microscopisch klein deukje. Dit is niet het geval voor identiek geprepareerde atomen; ze zijn precies hetzelfde. "Aan het einde van het experiment, het is dus niet meer mogelijk - in welke vorm dan ook - om te identificeren welke van de twee atomen nummer 1 is en welke nummer 2, " legt Dr. Andrea Alberti van het IAP uit.

Dit heeft ook filosofische implicaties. De Duitse filosoof Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) wordt gecrediteerd met de bewering dat twee objecten identiek zijn wanneer er geen verschillen tussen hen kunnen worden onderscheiden. Volgens de logica van Leibniz, de geschakelde atomen moeten dan een deel van hun individualiteit hebben verloren:ze zijn twee, toch zijn ze op de een of andere manier één.

Verbazingwekkend, beide zijn ook na het wisselen van plaats met elkaar 'verbonden':bepaalde eigenschappen van beide deeltjes, zoals de spin – de draairichting van een atoom – hangen van beide deeltjes af. Als je de spin-oriëntatie van atoom 1 observeert, dan weet je meteen de spin-oriëntatie van atoom 2 - zelfs zonder het direct te observeren. "Het is alsof je twee munten onafhankelijk van elkaar gooit, " legt Andrea Alberti uit. "Als een munt kop vertoont, dan moet dat ook voor de ander gelden.' Natuurkundigen spreken van 'verstrengeling'.

De IAP-onderzoekers zijn momenteel bezig hun theoretische voorstel in de praktijk te brengen. Het experiment kan ook in gewijzigde vorm worden uitgevoerd met andere deeltjes zoals ionen - een route die de collega's van het Institute for Quantum Optics en Quantum Information in Innsbruck van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen willen nemen. "We verwachten van deze studies, waarin we met hoge precisie precies twee kwantumdeeltjes besturen, nieuwe bevindingen over het fundamentele kwantummechanische uitwisselingsprincipe, " hoopt Alberti.