Wetenschappers van drie Britse universiteiten gaan een van de fundamentele wetten van de natuurkunde testen als onderdeel van een groot Europees project dat meer dan £ 3 miljoen aan financiering heeft gekregen.

Experts van de Universiteit van Southampton, Queen's University Belfast en UCL hebben een consortium gevormd met Europese universiteiten en het Britse fotonica-technologiebedrijf M Squared om de grenzen te testen van een van de kernprincipes van de kwantummechanica - de verbijsterende fysische wetten die microscopische deeltjes zoals atomen en elektronen mogelijk maken op twee plaatsen tegelijk.

Opgericht aan het begin van de 20e eeuw, kwantumtheorie is een wiskundig raamwerk dat voorziet in, daten, het meest nauwkeurige begrip van de resultaten van experimenten uitgevoerd op fysieke systemen zo klein als enkele atomen, zeer kleine moleculen en zeer zwak licht.

Het consortium heeft een ambitieus experiment bedacht om het zogenaamde kwantumsuperpositieprincipe (QSP) te testen - de wet die microscopische systemen in twee verschillende, perfect te onderscheiden, configuraties tegelijk.

De validiteit van QSP op microscopisch niveau wordt geaccepteerd door wetenschappers, en bevestigd door een enorme hoeveelheid gegevens. Maar wat weerhoudt het ervan om van toepassing te zijn op de 'grootschalige' wereld om ons heen? Met andere woorden, waarom doen alledaagse voorwerpen zoals auto's, bomen en mensen zich niet op een kwantummechanische manier gedragen en op twee plaatsen tegelijk bestaan?

Onbewezen theorieën die sinds de jaren tachtig zijn ontwikkeld, suggereren het bestaan ​​van een universele 'achtergrondruis' die QSP van grotere objecten vernietigt, zoals deeltjes die met een optische microscoop kunnen worden gezien.

Het consortium 'Project TEQ', geleid door de Universiteit van Triëst, in Italië, zal het bestaan ​​van dit geluid testen dankzij een prijs van € 4,4 miljoen (£ 3,9 miljoen) van de Europese Commissie.

Het experiment omvat een klein deeltje glas, een duizendste van de breedte van een mensenhaar, zweven door een elektrisch veld in een vacuüm bij een temperatuur dichtbij het absolute nulpunt (-273C). Er wordt een laser op het deeltje geschoten, en de verstrooiing van het laserlicht gemeten op tekenen van beweging van het deeltje.

Als er geen beweging is, het betekent dat de kwantummechanica nog steeds van toepassing is op deze schaal en dat er geen universele achtergrondruis is.

Echter, als er beweging wordt gedetecteerd, het geeft het bestaan ​​van een ruis aan die voorkomt dat QSP op deze schaal wordt toegepast. Dit zou het eerste waargenomen falen van de kwantumtheorie zijn, een limiet stellen aan de schaal waarop kwantummechanica van toepassing is en implicaties hebben voor grootschalige toepassingen van elk fysiek systeem op basis van kwantumprincipes.

Professor Hendrik Ulbricht, van de Universiteit van Southampton, zei:"De overgrote meerderheid van verschijnselen en gebeurtenissen die zich in ons dagelijks leven voordoen, kan worden verklaard door de wetten van de natuurkunde die zijn opgesteld door Isaac Newton, maar de microscopische wereld gehoorzaamt aan de regels van de kwantummechanica, die zo vreemd zijn dat ze contra-intuïtief kunnen lijken.

"Of het mogelijk is om kwantumgedrag in macroscopische objecten te observeren, is de grote onbeantwoorde vraag in de kwantumfysica. Als blijkt dat we dat kunnen, dit zou uiteindelijk de weg voor ons kunnen openen om de verbazingwekkende eigenschappen van de kwantummechanica te gebruiken in een veel grotere reeks fysieke systemen buiten de microscopische wereld. We staan ​​op het punt om een ​​zeer spannende reis te beginnen."

Professor Mauro Paternostro, van Queen's University Belfast, zei:"Ons onderzoeksprogramma zou kunnen bewijzen dat we niet te maken hebben met extreem kleine systemen om kwantumeffecten te zien, dat is momenteel de belangrijkste beperking van de kwantumtechnologie.

"Als je kunt bewijzen dat de kwantumtheorie zich uitstrekt tot grotere systemen, het zal een veel robuustere manier bieden om informatie te verwerken:alle chips en geïntegreerde systemen in computers zouden kunnen worden verkleind tot een veel kleinere schaal en we zouden kwantum kunnen beheren voor dagelijkse toepassingen.

"Dit zou hogere gegevensverwerkingssnelheden betekenen, grotere geheugens en grotere overdrachtssnelheden van gegevens over deze grotere netwerken."

Dr Graeme Malcolm OBE, CEO en mede-oprichter van M Squared, zei:"Dit fonds voor TEQ is een uitstekend voorbeeld van de voortdurende steun van de EU aan kwantumonderzoek en stelt het gevestigde denken achter de kwantummechanica in staat tot het uiterste te testen.

"Als dit werk bewijst dat kwantumeffecten op grotere schaal kunnen worden gezien, het verbreedt de potentiële commerciële toepassingen van kwantumtechnologie - in het bijzonder, de gebieden detectie en metrologie zullen de komende decennia belangrijke commerciële kansen zien. Het is een eer om deel uit te maken van het team dat de mogelijkheden onderzoekt van technologie die op de uiterste grenzen van de natuurkunde werkt.

Als het experiment bewijst dat kwantummechanica kan worden toegepast op grotere systemen, het zou het creëren van kwantumtechnologieën voor gebruik in de ruimte gemakkelijker kunnen maken, met satellieten die worden gebruikt om kwantuminformatie te verzenden in plaats van te vertrouwen op vezels op de grond of onder de zee."

Andere mogelijke toepassingen zijn de ontwikkeling van ultragevoelige meetapparatuur die beter kan presteren dan bestaande sensoren om de effecten van zwaartekracht te meten.