Een bijzonder contra-intuïtief kenmerk van de kwantummechanica is dat een enkele gebeurtenis kan bestaan ​​in een staat van superpositie - zowel hier als daar, of zowel vandaag als morgen.

Dergelijke superposities zijn moeilijk te maken, omdat ze worden vernietigd als er enige vorm van informatie over de plaats en tijd van de gebeurtenis in de omgeving lekt - en zelfs als niemand deze informatie daadwerkelijk vastlegt. Maar als er superposities optreden, ze leiden tot waarnemingen die heel anders zijn dan die van de klassieke natuurkunde, vragen opwerpen die overgaan in ons begrip van ruimte en tijd.

Wetenschappers van EPFL, MIT, en CEA Saclay, publiceren in wetenschappelijke vooruitgang , een trillingstoestand demonstreren die tegelijkertijd op twee verschillende tijdstippen bestaat, en bewijs leveren van deze kwantumsuperpositie door de sterkste klasse van kwantumcorrelaties te meten tussen lichtstralen die interageren met de trilling.

De onderzoekers gebruikten een zeer korte laserpuls om een ​​specifiek trillingspatroon in een diamantkristal teweeg te brengen. Elk paar naburige atomen oscilleerde als twee massa's verbonden door een veer, en deze oscillatie was synchroon over het hele verlichte gebied. Om tijdens dit proces energie te besparen, een licht van een nieuwe kleur wordt uitgezonden, verschoven naar het rood van het spectrum.

Dit klassieke beeld, echter, is in strijd met de experimenten. In plaats daarvan, zowel licht als trillingen moeten worden beschreven als deeltjes, of quanta:lichtenergie wordt gekwantiseerd tot discrete fotonen terwijl trillingsenergie wordt gekwantiseerd tot discrete fononen (genoemd naar het oude Griekse 'foto =licht' en 'phono =geluid').

Het hierboven beschreven proces moet daarom worden gezien als de splijting van een binnenkomend foton van de laser in een paar foton en fonon - vergelijkbaar met kernsplijting van een atoom in twee kleinere stukken.

Maar het is niet de enige tekortkoming van de klassieke natuurkunde. In de kwantummechanica, deeltjes kunnen in een superpositietoestand bestaan, zoals de beroemde Schrödinger-kat die tegelijkertijd leeft en dood is.

Nog meer contra-intuïtief:twee deeltjes kunnen verstrengeld raken, hun individualiteit verliezen. De enige informatie die over hen kan worden verzameld, betreft hun gemeenschappelijke correlaties. Omdat beide deeltjes worden beschreven door een gemeenschappelijke toestand (de golffunctie), deze correlaties zijn sterker dan wat mogelijk is in de klassieke natuurkunde. Het kan worden aangetoond door geschikte metingen aan de twee deeltjes uit te voeren. Als de resultaten een klassieke limiet overschrijden, men kan er zeker van zijn dat ze verstrikt waren.

In de nieuwe studie EPFL-onderzoekers slaagden erin het foton en de fonon (d.w.z. licht en trillingen) geproduceerd bij de splitsing van een binnenkomend laserfoton in het kristal. Om dit te doen, de wetenschappers ontwierpen een experiment waarin het foton-fononpaar op twee verschillende momenten kon worden gecreëerd. klassiek, het zou resulteren in een situatie waarin het paar wordt gecreëerd op tijdstip t1 met een waarschijnlijkheid van 50%, of op een later tijdstip t2 met 50% kans.

Maar hier komt de 'truc' van de onderzoekers om een ​​verstrengelde toestand te genereren. Door een nauwkeurige opstelling van het experiment, ze zorgden ervoor dat zelfs het zwakste spoor van de scheppingstijd van het licht-vibratiepaar (t1 vs. t2) in het universum bleef. Met andere woorden, ze hebben informatie over t1 en t2 gewist. De kwantummechanica voorspelt dan dat het fonon-fotonenpaar verstrengeld raakt, en bestaat in een superpositie van tijd t1 en t2. Deze voorspelling werd prachtig bevestigd door de metingen, die resultaten opleverde die onverenigbaar waren met de klassieke probabilistische theorie.

Door verstrengeling tussen licht en vibratie te laten zien in een kristal dat men tijdens het experiment in de vinger kon houden, de nieuwe studie slaat een brug tussen onze dagelijkse ervaring en het fascinerende rijk van de kwantummechanica.

"Kwantumtechnologieën worden aangekondigd als de volgende technologische revolutie in de informatica, communicatie, voelen, zegt Christophe Galland, hoofd van het Laboratorium voor Quantum en Nano-Optica bij EPFL en een van de hoofdauteurs van het onderzoek. "Ze worden momenteel ontwikkeld door topuniversiteiten en grote bedrijven over de hele wereld, maar de uitdaging is enorm. Dergelijke technologieën zijn afhankelijk van zeer fragiele kwantumeffecten die alleen overleven bij extreem lage temperaturen of onder hoog vacuüm. Onze studie toont aan dat zelfs een gewoon materiaal bij omgevingscondities de delicate kwantumeigenschappen kan ondersteunen die nodig zijn voor kwantumtechnologieën. Er is een prijs te betalen, hoewel:de kwantumcorrelaties die worden ondersteund door atomaire trillingen in het kristal gaan verloren na slechts 4 picoseconden, d.w.z. 0.000000000004 van een seconde! Deze korte tijdschaal is, echter, ook een kans voor de ontwikkeling van ultrasnelle kwantumtechnologieën. Maar er ligt nog veel onderzoek in het verschiet om ons experiment om te vormen tot een nuttig apparaat - een taak voor toekomstige kwantumingenieurs."