Natuurkundigen van de Universiteit van Basel hebben voor het eerst de kwantummechanische Einstein-Podolsky-Rosen-paradox waargenomen in een systeem van enkele honderden op elkaar inwerkende atomen. Het fenomeen dateert van een beroemd gedachte-experiment uit 1935. Hiermee kunnen meetresultaten nauwkeurig worden voorspeld en kan het worden gebruikt in nieuwe soorten sensoren en beeldvormingsmethoden voor elektromagnetische velden. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Hoe precies kunnen we de resultaten van metingen op een fysiek systeem voorspellen? In de wereld van kleine deeltjes, die wordt beheerst door de wetten van de kwantumfysica, er is een fundamentele grens aan de nauwkeurigheid van dergelijke voorspellingen. Deze limiet wordt uitgedrukt door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, waarin staat dat het onmogelijk is om gelijktijdig de metingen van de positie en het momentum van een deeltje te voorspellen, of van twee componenten van een spin, met willekeurige precisie.

Een paradoxale afname van onzekerheid

In 1935, echter, Albert Einstein, Boris Podolsky, en Nathan Rosen publiceerden een beroemd artikel waarin ze lieten zien dat nauwkeurige voorspellingen onder bepaalde omstandigheden theoretisch mogelijk zijn. Om dit te doen, ze beschouwden twee systemen, A en B, in wat bekend staat als een "verstrikte" staat, waarin hun eigenschappen sterk gecorreleerd zijn.

In dit geval, de resultaten van metingen op systeem A kunnen worden gebruikt om de resultaten van overeenkomstige metingen op systeem B met willekeurige precisie te voorspellen. Dit is zelfs mogelijk als de systemen A en B ruimtelijk gescheiden zijn. De paradox is dat een waarnemer metingen op systeem A kan gebruiken om preciezere uitspraken te doen over systeem B dan een waarnemer die directe toegang heeft tot systeem B (maar niet tot A).

Eerste waarneming in een veeldeeltjessysteem

Vroeger, experimenten hebben licht of individuele atomen gebruikt om de EPR-paradox te bestuderen, die zijn initialen ontleent aan de wetenschappers die het hebben ontdekt. Nutsvoorzieningen, een team van natuurkundigen onder leiding van professor Philipp Treutlein van het departement Natuurkunde aan de Universiteit van Basel en het Zwitserse Nanoscience Institute (SNI) heeft voor het eerst de EPR-paradox met succes waargenomen met behulp van een veeldeeltjessysteem van enkele honderden op elkaar inwerkende atomen.

Het experiment gebruikte lasers om atomen af ​​te koelen tot slechts enkele miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt. Bij deze temperaturen de atomen gedragen zich volledig volgens de wetten van de kwantummechanica en vormen wat bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat - een toestand van materie die Einstein in 1925 in een ander baanbrekend artikel voorspelde. In deze ultrakoude wolk, de atomen botsen voortdurend met elkaar, waardoor hun spins verstrikt raken.

De onderzoekers namen vervolgens metingen van de spin in ruimtelijk gescheiden gebieden van het condensaat. Dankzij beeldvorming met hoge resolutie, ze waren in staat om de spin-correlaties tussen de afzonderlijke regio's direct te meten en, tegelijkertijd, om de atomen in nauwkeurig gedefinieerde posities te lokaliseren. Met hun experiment de onderzoekers slaagden erin metingen in een bepaalde regio te gebruiken om de resultaten voor een andere regio te voorspellen.

"De resultaten van de metingen in de twee regio's waren zo sterk gecorreleerd dat ze ons in staat stelden de EPR-paradox aan te tonen, " zegt promovendus Matteo Fadel, hoofdauteur van de studie. "Het is fascinerend om zo'n fundamenteel fenomeen van de kwantumfysica in steeds grotere systemen te observeren. onze experimenten leggen een verband tussen twee van Einsteins belangrijkste werken."

Op weg naar kwantumtechnologie

Naast hun basisonderzoek, de wetenschappers speculeren al over mogelijke toepassingen voor hun ontdekking. Bijvoorbeeld, de correlaties die de kern vormen van de EPR-paradox kunnen worden gebruikt om atomaire sensoren en beeldvormingsmethoden voor elektromagnetische velden te verbeteren. De ontwikkeling van dit soort kwantumsensoren is een doelstelling van het National Center of Competence in Research Quantum Science and Technology (NCCR QSIT), waarbij het team van onderzoekers actief betrokken is.