Waarom werkt kwantummechanica zo goed voor microscopische objecten, maar macroscopische objecten worden beschreven door de klassieke natuurkunde? Deze vraag houdt natuurkundigen bezig sinds de ontwikkeling van de kwantumtheorie meer dan 100 jaar geleden. Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft en de Universiteit van Wenen hebben nu een macroscopisch systeem bedacht dat verstrengeling tussen mechanische fononen en optische fotonen vertoont. Ze testten de verstrengeling met behulp van een Bell-test, een van de meest overtuigende en belangrijke tests om aan te tonen dat een systeem zich niet-klassiek gedraagt.

Sinds de oprichting meer dan 100 jaar geleden, natuurkundigen realiseerden zich dat de kwantumtheorie in strijd zou kunnen zijn met enkele van de basisaxioma's van de klassieke natuurkunde. Vooral, de principes waar het om gaat zijn of informatie sneller kan worden uitgewisseld dan de snelheid van het licht (genaamd 'lokaliteit'), en of er fysieke grootheden bestaan, ongeacht of ze worden waargenomen of niet ('realisme' genoemd). Albert Einstein vroeg ooit aan Abraham Pais:zijn biograaf, als hij echt dacht dat de maan alleen bestond als hij ernaar keek.

Een verhit debat tussen Einstein en Niels Bohr over dit conflict van axioma's in de jaren dertig was het begin van tientallen jaren lang onderzoek naar de correlaties tussen kwantumsystemen. Dit fenomeen, kwantumverstrengeling genoemd, snel uitgekristalliseerd als een van de belangrijkste voorspellingen van de kwantummechanica. Het werk van John Bell in de jaren zestig opende een weg om deze principes experimenteel te testen, die nieuwe en opwindende resultaten aan het debat toevoegde. De meeste kwantumexperimenten die tot nu toe zijn uitgevoerd, echter, omgaan met één of een relatief klein aantal deeltjes.

Kwantumcorrelaties

Een team van wetenschappers onder leiding van Prof. Simon Gröblacher van de Technische Universiteit Delft is nu een volledig nieuwe schaal van kwantummetingen betreden. Ze creëerden een apparaat dat correlaties opleverde tussen de trillingsbeweging van optomechanische siliciumoscillatoren, bestaande uit ongeveer 10 miljard atomen, en optische modi. De apparaten werden afgekoeld tot hun bewegende grondtoestanden in een verdunningskoelkast en werden vervolgens onderzocht met laserpulsen. Specifieke laserfrequenties kunnen communiceren met de apparaten, ofwel de beweging op een gecontroleerde manier opwekken of de staat ervan uitlezen. Telkens wanneer dit gebeurt, Er ontstaan ​​correlaties tussen het verstrooide licht en de apparaten die het mogelijk maken om het gedrag van de een perfect te voorspellen door de ander.

Om te testen of de correlaties in hun systeem waren, in feite, kwantummechanica aan het werk, en niet de klassieke natuurkunde, ze voerden een Bell-test uit. De twee deeltjes kregen in wezen een keuze voorgeschoteld:Het experiment was zo opgezet dat ze elk in een van de twee detectoren konden worden geregistreerd. Beide uitkomsten waren qua ontwerp even waarschijnlijk, waardoor het onmogelijk was om het resultaat voor fotonen of fononen afzonderlijk te voorspellen. Echter, vanwege de correlaties tussen de twee, de fononen zouden zo gemaakt kunnen worden dat ze altijd een overeenkomstig meetresultaat aan de fotonen geven. In ongeveer 80 procent van de gevallen ze bleken zich zo te gedragen, wat ruim boven de klassieke Bell-drempel van ongeveer 70 procent ligt.

Grondige test

De echte Bell-test was om bepaalde experimentele parameters die de twee deeltjes op verschillende manieren beïnvloeden, aan te passen en te kijken wanneer deze afhankelijkheid wegvalt. Quantum-mechanisch, de twee kunnen gecorreleerde meetresultaten veel langer behouden dan klassiek is toegestaan. "Dit is de meest grondige test van een enorm apparaat dat zich kwantummechanisch gedraagt, maar toch is uitgevoerd, " zei prof. Gröblacher.

Deze resultaten impliceren dat de kwantummechanica zich uitstrekt tot in het macroscopische domein. Bovendien, het apparaat dat de onderzoekers hebben gefabriceerd, kan worden vergroot en verbeterd. Gröblacher:"Omdat ons experimentele protocol onafhankelijk is van de grootte van de oscillator, deze resultaten leggen de basis voor de mogelijkheid om de grens tussen klassieke en kwantumfysica te onderzoeken met willekeurig grote objecten, zelfs degenen die met het blote oog zichtbaar zijn."