Wat is interactie, en wanneer komt het voor? Intuïtie suggereert dat de noodzakelijke voorwaarde voor de interactie van onafhankelijk gecreëerde deeltjes hun directe aanraking of contact via fysieke krachtdragers is. In de kwantummechanica, het resultaat van de interactie is verstrengeling - het verschijnen van niet-klassieke correlaties in het systeem. Het lijkt erop dat de kwantumtheorie verstrengeling van onafhankelijke deeltjes mogelijk maakt zonder enig contact. De fundamentele identiteit van deeltjes van dezelfde soort is verantwoordelijk voor dit fenomeen.

Kwantummechanica is momenteel de beste en meest nauwkeurige theorie die door natuurkundigen wordt gebruikt om de wereld om ons heen te beschrijven. Zijn karakteristieke eigenschap, echter, is de abstracte wiskundige taal van de kwantummechanica, notoir leidend tot ernstige interpretatieproblemen. De door deze theorie voorgestelde kijk op de werkelijkheid is nog steeds een onderwerp van wetenschappelijk geschil dat, overuren, wordt alleen maar heter en interessanter. Nieuwe onderzoeksmotivatie en intrigerende vragen worden naar voren gebracht door een nieuw perspectief dat voortkomt uit het standpunt van kwantuminformatie en de enorme vooruitgang van experimentele technieken. Deze maken het mogelijk de conclusies te verifiëren die zijn getrokken uit subtiele gedachte-experimenten die rechtstreeks verband houden met het interpretatieprobleem. Bovendien, onderzoekers boeken nu enorme vooruitgang op het gebied van kwantumcommunicatie en kwantumcomputertechnologie, die in belangrijke mate gebruik maakt van niet-klassieke bronnen die worden aangeboden door de kwantummechanica.

Pawel Blasiak van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau en Marcin Markiewicz van de Universiteit van Gdansk richten zich op het analyseren van algemeen aanvaarde paradigma's en theoretische concepten met betrekking tot de basis en interpretatie van de kwantummechanica. De onderzoekers proberen te achterhalen in hoeverre de intuïties die worden gebruikt om kwantummechanische processen te beschrijven, gerechtvaardigd zijn in een realistische kijk op de wereld. Voor dit doeleinde, ze proberen specifieke theoretische ideeën te verduidelijken, vaak functionerend in de vorm van vage intuïties, het gebruik van de taal van de wiskunde. Deze benadering leidt vaak tot het ontstaan ​​van inspirerende paradoxen. Natuurlijk, hoe fundamenteler het concept waarop een bepaalde paradox betrekking heeft, des te beter, omdat het nieuwe deuren opent naar een dieper begrip van een bepaald probleem.

In deze geest, beide wetenschappers dachten na over de fundamentele vraag:wat is interactie, en wanneer komt het voor? In de kwantummechanica, het resultaat van interactie is verstrengeling, dat is het verschijnen van niet-klassieke correlaties in het systeem. Stel je twee deeltjes voor die onafhankelijk van elkaar zijn gemaakt in verre sterrenstelsels. Het lijkt erop dat een noodzakelijke voorwaarde voor het ontstaan ​​van verstrengeling de vereiste is dat op een bepaald punt in hun evolutie, de deeltjes raken elkaar, of in ieder geval dat indirect contact moet plaatsvinden via een ander deeltje of fysiek veld om de interactie over te brengen. Hoe kunnen ze anders de mysterieuze band van kwantumverstrengeling tot stand brengen? Paradoxaal genoeg, echter, het blijkt dat dit mogelijk is. Kwantummechanica maakt verstrengeling mogelijk zonder dat er contact nodig is, zelfs indirect.

Om zo'n verrassende conclusie te rechtvaardigen is een schema nodig waarin de deeltjes op afstand niet-lokale correlaties vertonen (in een Bell-type experiment). De subtiliteit van deze benadering is om de mogelijkheid uit te sluiten van een interactie die onderweg wordt opgevat als een vorm van contact. Een dergelijke regeling moet ook economisch zijn, dus het moet de aanwezigheid uitsluiten van krachtdragers die deze interactie zouden kunnen bemiddelen, inclusief een fysiek veld of intermediaire deeltjes. Blasiak en Markiewicz lieten zien hoe dit kan door uit te gaan van de oorspronkelijke overwegingen van Yurke en Stoler, die ze opnieuw interpreteerden als een permutatie van paden die werden doorlopen door de deeltjes uit verschillende bronnen. Dit nieuwe perspectief maakt het mogelijk om elke verstrengelde toestand van twee en drie deeltjes te genereren, elk contact vermijden. De voorgestelde aanpak kan eenvoudig worden uitgebreid tot meer deeltjes.

Hoe is het mogelijk om onafhankelijke deeltjes op afstand te verstrengelen zonder hun interactie? Een hint wordt gesuggereerd door de kwantummechanica zelf, waarin de identiteit - de fundamentele ononderscheidbaarheid van alle deeltjes van dezelfde soort - wordt gepostuleerd. Dit betekent, bijvoorbeeld, dat alle fotonen (evenals andere families van elementaire deeltjes) in het hele universum hetzelfde zijn, ongeacht hun afstand. Vanuit een formeel perspectief, dit komt neer op symmetrisatie van de golffunctie voor bosonen of de antisymmetrisatie voor fermionen.

Effecten van deeltjesidentiteit worden meestal geassocieerd met hun statistieken die gevolgen hebben voor een beschrijving van interagerende multi-deeltjessystemen (zoals Bose-Einstein-condensaten of solid-state bandtheorie). In het geval van eenvoudigere systemen, het directe resultaat van deeltjesidentiteit is het Pauli-uitsluitingsprincipe voor fermionen of bundeling in kwantumoptica voor bosonen. Het gemeenschappelijke kenmerk van al deze effecten is het contact van deeltjes op één punt in de ruimte, die de eenvoudige intuïtie van interactie volgt (bijvoorbeeld in de deeltjestheorie, dit komt neer op interactiehoeken). Vandaar de overtuiging dat de gevolgen van symmetrie alleen op deze manier kunnen worden waargenomen. Echter, interactie veroorzaakt door zijn aard verstrengeling. Daarom, het is onduidelijk wat de waargenomen effecten en niet-klassieke correlaties veroorzaakt:is het een interactie op zich, of is het de inherente ononderscheidbaarheid van deeltjes? Het door de wetenschappers voorgestelde schema omzeilt deze moeilijkheid, het elimineren van interactie die zou kunnen optreden door enig contact. Vandaar, de conclusie dat niet-klassieke correlaties een direct gevolg zijn van het postulaat van deeltjesidentiteit. Hieruit volgt dat er een manier bestaat om verstrengeling zuiver te activeren vanuit hun fundamentele ononderscheidbaarheid.

Dit soort uitzicht, vertrekkende van vragen over de basis van de kwantummechanica, kan praktisch worden toegepast om verstrengelde toestanden voor kwantumtechnologieën te genereren. Het artikel laat zien hoe je een verstrengelde toestand van twee en drie qubits kunt maken, en deze ideeën zijn al experimenteel geïmplementeerd. Het lijkt erop dat de overwogen schema's met succes kunnen worden uitgebreid om verstrengelde toestanden met veel deeltjes te creëren. Als onderdeel van verder onderzoek, de wetenschappers zijn van plan om het postulaat van identieke deeltjes in detail te analyseren, zowel vanuit het oogpunt van theoretische interpretatie als praktische toepassingen.

Verrassend genoeg, het postulaat van de ononderscheidbaarheid van deeltjes is niet alleen een formele wiskundige procedure, maar in zijn pure vorm, leidt tot de gevolgen die in laboratoria worden waargenomen. Is non-lokaliteit inherent aan alle identieke deeltjes in het universum? Het foton dat door het beeldscherm wordt uitgezonden en het foton van het verre melkwegstelsel in de diepten van het universum lijken alleen door hun identieke aard verstrengeld te zijn. Dit is een groot mysterie waar de wetenschap binnenkort mee te maken zal krijgen.