Het principe van kwantumsuperpositie is op een schaal als nooit tevoren getest in een nieuwe studie door wetenschappers van de Universiteit van Wenen in samenwerking met de Universiteit van Basel. Heet, complexe moleculen bestaande uit bijna tweeduizend atomen werden in een kwantumsuperpositie gebracht en tot interferentie gebracht. Door dit fenomeen te bevestigen - "het hart van de kwantummechanica, " in de woorden van Richard Feynman - op een nieuwe massaschaal, verbeterde beperkingen op alternatieve theorieën voor de kwantummechanica zijn geplaatst. Het werk wordt gepubliceerd in Natuurfysica .

Kwantum naar klassiek?

Het superpositieprincipe is een kenmerk van de kwantumtheorie dat voortkomt uit een van de meest fundamentele vergelijkingen van de kwantummechanica, de Schrödingervergelijking. Het beschrijft deeltjes in het kader van golffuncties, die, net als watergolven op het oppervlak van een vijver, interferentie-effecten kunnen vertonen. Maar in tegenstelling tot watergolven, die een collectief gedrag zijn van veel op elkaar inwerkende watermoleculen, kwantumgolven kunnen ook worden geassocieerd met geïsoleerde afzonderlijke deeltjes.

Misschien wel het meest elegante voorbeeld van het golfkarakter van deeltjes is het dubbelspletenexperiment, waarin de golffunctie van een deeltje gelijktijdig door twee spleten gaat en interfereert. Dit effect is aangetoond voor fotonen, elektronen, neutronen, atomen en zelfs moleculen, en het roept een vraag op waarmee natuurkundigen en filosofen al sinds de vroegste dagen van de kwantummechanica worstelen:hoe gaan deze vreemde kwantumeffecten over in de klassieke wereld waarmee we allemaal bekend zijn

experimentele benadering

De experimenten van Markus Arndt en zijn team aan de Universiteit van Wenen benaderen deze vraag op de meest directe manier mogelijk, dat is, door kwantuminterferentie te tonen met steeds massievere objecten. De moleculen in de recente experimenten hebben een massa groter dan 25, 000 atomaire massa-eenheden, vele malen groter dan het vorige record. Een van de grootste moleculen die door de interferometer wordt gestuurd, C707H260F908N16S53Zn4, bestaat uit meer dan 40, 000 protonen, neutronen, en elektronen, met een de Broglie-golflengte die duizend keer kleiner is dan de diameter van zelfs maar een enkel waterstofatoom. Marcel Mayor en zijn team aan de Universiteit van Basel gebruikten speciale technieken om zulke massieve moleculen te synthetiseren die voldoende stabiel waren om een ​​moleculaire bundel in ultrahoog vacuüm te vormen. Om de kwantumaard van deze deeltjes te bewijzen, was ook een materie-golf-interferometer nodig met een twee meter lange basislijn die speciaal in Wenen was gebouwd.

Alternatieve kwantummodellen en macroscopiciteit

Een klasse van modellen die tot doel heeft de schijnbare overgang van een kwantum naar een klassiek regime te verzoenen, voorspelt dat de golffunctie van een deeltje spontaan instort met een snelheid die evenredig is met zijn massa in het kwadraat. Door experimenteel aan te tonen dat een superpositie voor een bepaald zwaar deeltje gedurende een bepaalde tijd wordt gehandhaafd, worden dus direct grenzen gesteld aan hoe vaak en hoe gelokaliseerd zo'n instortingsproces kan zijn. In deze experimenten bleven de moleculen meer dan 7 ms in een superpositie, lang genoeg om nieuwe interferometrische grenzen te stellen aan alternatieve kwantummodellen.

Een algemene maatstaf genaamd macroscopiciteit wordt gebruikt om te classificeren hoe goed alternatieve modellen worden uitgesloten door dergelijke experimenten, en de experimenten van Fein et al. gepubliceerd in Natuurfysica vertegenwoordigen inderdaad een orde van grootte toename in macroscopiciteit. "Onze experimenten laten zien dat kwantummechanica, met al zijn gekheid, is ook verbazingwekkend robuust, en ik ben optimistisch dat toekomstige experimenten het op een nog grotere schaal zullen testen, ", zegt Fein. De grens tussen kwantum en klassiek wordt steeds vager.