Het is een van de meest verbazingwekkende resultaten van de natuurkunde - wanneer een complex systeem met rust wordt gelaten, het zal met bijna perfecte precisie terugkeren naar zijn oorspronkelijke staat. gasdeeltjes, bijvoorbeeld, chaotisch ronddwarrelend in een container, zullen na enige tijd vrijwel exact terugkeren naar hun uitgangspositie. De Poincaré-recursiestelling is de basis van de moderne chaostheorie. Al decenia, wetenschappers hebben onderzocht hoe deze stelling kan worden toegepast op de wereld van de kwantumfysica. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de TU Wien (Wenen) hebben met succes een soort Poincaré-recidief aangetoond in een kwantumsysteem met meerdere deeltjes. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Aan het einde van de 19e eeuw, de Franse wetenschapper Henri Poincaré bestudeerde systemen die niet volledig met perfecte precisie kunnen worden geanalyseerd, bijvoorbeeld zonnestelsels bestaande uit vele planeten en asteroïden, of gasdeeltjes die steeds tegen elkaar botsen. Zijn verrassende resultaat:elke toestand die fysiek mogelijk is, zal op een gegeven moment door het systeem worden ingenomen - althans in een zeer goede mate van benadering. Als we maar lang genoeg wachten, op een gegeven moment zullen alle planeten een rechte lijn vormen, gewoon bij toeval. De gasdeeltjes in een doos zullen interessante patronen creëren, of ga terug naar de staat waarin ze waren toen het experiment begon.

Een soortgelijke stelling kan worden bewezen voor kwantumsystemen. Daar, echter, hele andere regels gelden:"In de kwantumfysica, we moeten een geheel nieuwe manier bedenken om dit probleem aan te pakken, " zegt professor Jörg Schmiedmayer van het Instituut voor Atoom- en Subatomaire Fysica van de TU Wien. "Om zeer fundamentele redenen, de toestand van een groot kwantumsysteem, bestaande uit vele deeltjes, kan nooit perfect worden gemeten. Afgezien daarvan, de deeltjes kunnen niet worden gezien als onafhankelijke objecten, we moeten er rekening mee houden dat ze kwantummechanisch verstrengeld zijn."

Er zijn pogingen gedaan om het effect van "Poincaré-recidief" in kwantumsystemen aan te tonen, maar tot nu toe was dit alleen mogelijk met een zeer klein aantal deeltjes, wiens toestand zo nauwkeurig mogelijk werd gemeten. Dit is buitengewoon ingewikkeld en de tijd die het systeem nodig heeft om terug te keren naar zijn oorspronkelijke staat neemt dramatisch toe met het aantal deeltjes. Jörg Schmiedmayers-team aan de TU Wien, echter, koos voor een andere aanpak:"We zijn niet zozeer geïnteresseerd in de complete innerlijke toestand van het systeem, die toch niet kan worden gemeten, " zegt Bernhard Rauer, eerste auteur van de publicatie. "In plaats daarvan willen we vragen:welke hoeveelheden kunnen we waarnemen, die ons iets interessants vertellen over het systeem als geheel? En zijn er momenten waarop deze collectieve grootheden terugkeren naar hun oorspronkelijke waarde?"

Het team bestudeerde het gedrag van een ultrakoud gas, bestaande uit duizenden atomen, die op zijn plaats wordt gehouden door elektromagnetische velden op een chip. "Er zijn verschillende grootheden die de kenmerken van zo'n kwantumgas beschrijven, bijvoorbeeld coherentielengtes in het gas en correlatiefuncties tussen verschillende punten in de ruimte. Deze parameters vertellen ons, hoe nauw de deeltjes verbonden zijn door kwantummechanische effecten, " zegt Sebastiaan Erne, die verantwoordelijk was voor de theoretische berekeningen die nodig zijn voor het project. "Onze dagelijkse intuïtie is niet gewend om met deze hoeveelheden om te gaan, maar voor een kwantumsysteem, ze zijn cruciaal."

Herhaling ontdekt - in collectieve hoeveelheden

Door dergelijke hoeveelheden te meten, die niet verwijzen naar afzonderlijke deeltjes, maar karakteriseren het systeem als geheel, het was inderdaad mogelijk om de lang gezochte kwantumherhaling waar te nemen. En dat niet alleen:"Met onze atoomchip, we kunnen zelfs de tijd beïnvloeden die het systeem nodig heeft om terug te keren naar een bepaalde toestand, " zegt Jörg Schmiedmayer. "Door dit soort herhaling te meten, we leren veel over de collectieve dynamiek van de atomen, bijvoorbeeld over de geluidssnelheid in het gas of over verstrooiingsverschijnselen van dichtheidsgolven."

De oude vraag, of kwantumsystemen recidieven vertonen, kan eindelijk worden beantwoord:Ja, dat doen ze - maar het concept van herhaling moet enigszins opnieuw worden gedefinieerd. In plaats van te proberen de volledige innerlijke kwantumtoestand van een systeem in kaart te brengen, die toch niet kan worden gemeten, het is logischer om je te concentreren op grootheden die kunnen worden gemeten in kwantumexperimenten. Men kan zien dat deze grootheden wegdrijven van hun oorspronkelijke waarde en uiteindelijk terugkeren naar hun oorspronkelijke staat.