Het meten van een kwantumsysteem zorgt ervoor dat het verandert - een van de vreemde maar fundamentele aspecten van de kwantummechanica. Onderzoekers van de Universiteit van Stockholm hebben nu kunnen aantonen hoe deze verandering plaatsvindt. De resultaten worden gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Kwantumfysica beschrijft de innerlijke wereld van individuele atomen, een wereld die heel anders is dan onze dagelijkse ervaring. Een van de vele vreemde maar fundamentele aspecten van de kwantummechanica is de rol van de waarnemer:het meten van de toestand van een kwantumsysteem zorgt ervoor dat het verandert. Ondanks het belang van het meetproces binnen de theorie, het bevat nog steeds onbeantwoorde vragen:stort een kwantumtoestand onmiddellijk in tijdens een meting? Als niet, hoeveel tijd kost het meetproces en wat is de kwantumtoestand van het systeem bij een tussenstap?

Een samenwerking van onderzoekers uit Zweden, Duitsland en Spanje hebben deze vragen beantwoord met behulp van een enkel atoom:een strontium-ion gevangen in een elektrisch veld. De meting aan het ion duurt slechts een miljoenste van een seconde. Door een "film" te maken bestaande uit foto's die op verschillende tijdstippen van de meting zijn genomen, toonden ze aan dat de verandering van de toestand geleidelijk plaatsvindt onder invloed van de meting.

Atomen volgen de wetten van de kwantummechanica die vaak in tegenspraak zijn met onze normale verwachtingen. De interne kwantumtoestand van een atoom wordt gevormd door de toestand van de elektronen die rond de atoomkern cirkelen. Het elektron kan rond de kern cirkelen in een baan dichtbij of verder weg. Kwantummechanica, echter, staat ook zogenaamde superpositietoestanden toe, waar het elektron beide banen tegelijk inneemt, maar elke baan slechts met enige waarschijnlijkheid.

"Elke keer als we de baan van het elektron meten, het antwoord van de meting zal zijn dat het elektron zich in een lagere of hogere baan bevond, nooit iets er tussenin. Dit geldt zelfs wanneer de initiële kwantumtoestand een superpositie van beide mogelijkheden was. De meting dwingt het elektron in zekere zin om te beslissen in welke van de twee toestanden het zich bevindt, " zegt Fabian Pokorny, onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde, Universiteit van Stockholm.

De "film" toont de evolutie tijdens het meetproces. De afzonderlijke afbeeldingen tonen tomografiegegevens waarbij de hoogte van de staven de mate van superpositie laat zien die nog steeds behouden is. Tijdens de meting gaan sommige superposities verloren - en dit verlies gebeurt geleidelijk - terwijl andere behouden blijven zoals ze zouden moeten zijn voor een ideale kwantummeting.

"Deze bevindingen werpen nieuw licht op de innerlijke werking van de natuur en zijn consistent met de voorspellingen van de moderne kwantumfysica, " zegt Markus Hendrik, groepsleider van het team in Stockholm.

Deze resultaten zijn ook belangrijk buiten de fundamentele kwantumtheorie. Kwantummeting is een essentieel onderdeel van kwantumcomputers. De groep van de Universiteit van Stockholm werkt aan computers op basis van ingesloten ionen, waarbij de metingen worden gebruikt om het resultaat aan het einde van een kwantumberekening uit te lezen.