Kop of munt? Als we twee munten in de lucht gooien, het resultaat van de ene toss heeft niets te maken met het resultaat van de andere. Munten zijn onafhankelijke objecten. In de wereld van de kwantumfysica, dingen zijn anders:kwantumdeeltjes kunnen verstrengeld raken, in dat geval kunnen ze niet langer als zelfstandige individuele objecten worden beschouwd, ze kunnen alleen worden beschreven als één gezamenlijk systeem.

Voor jaren, het is mogelijk geweest om verstrengelde fotonen te produceren - paren lichtdeeltjes die in totaal verschillende richtingen bewegen maar toch bij elkaar horen. Er zijn spectaculaire resultaten geboekt, bijvoorbeeld op het gebied van kwantumteleportatie of kwantumcryptografie. Nutsvoorzieningen, er is een nieuwe methode ontwikkeld aan de TU Wien (Wenen) om verstrengelde atoomparen te produceren - en niet alleen atomen die in alle richtingen worden uitgezonden, maar goed gedefinieerde stralen. Dit werd bereikt met behulp van ultrakoude atoomwolken in elektromagnetische vallen.

Verstrengelde deeltjes

"Kwantumverstrengeling is een van de essentiële elementen van de kwantumfysica, " zegt prof. Jörg Schmiedmayer van het Instituut voor Atoom- en Subatomaire Fysica van de TU Wien. "Als deeltjes met elkaar verstrengeld zijn, dan zelfs als je alles weet wat er te weten valt over het totale systeem, je kunt nog helemaal niets zeggen over één specifiek deeltje. Vragen naar de toestand van een bepaald deeltje heeft geen zin, alleen de algemene toestand van het totale systeem wordt gedefinieerd."

Er zijn verschillende methoden om kwantumverstrengeling te creëren. Bijvoorbeeld, speciale kristallen kunnen worden gebruikt om paren verstrengelde fotonen te maken:een foton met hoge energie wordt door het kristal omgezet in twee fotonen met lagere energie - dit wordt 'omlaagconversie' genoemd. Hierdoor kunnen snel en eenvoudig grote aantallen verstrengelde fotonparen worden geproduceerd.

Verstrengeling van atomen, echter, is veel moeilijker. Individuele atomen kunnen worden verstrengeld met behulp van ingewikkelde laserbewerkingen, maar dan krijg je maar een enkel paar atomen. Willekeurige processen kunnen ook worden gebruikt om kwantumverstrengeling te creëren:als twee deeltjes op een geschikte manier met elkaar interageren, ze kunnen achteraf verstrikt blijken te zijn. Moleculen kunnen worden afgebroken, het creëren van verstrengelde fragmenten. Maar deze methoden kunnen niet worden gecontroleerd. "In dit geval, de deeltjes bewegen in willekeurige richtingen. Maar als je experimenten doet, je wilt precies kunnen bepalen waar de atomen bewegen, ", zegt Jörg Schmiedmayer.

Het tweelingpaar

Gecontroleerde tweelingparen zouden nu aan de TU Wien kunnen worden geproduceerd met een nieuwe truc:een wolk van ultrakoude atomen wordt gecreëerd en op zijn plaats gehouden door elektromagnetische krachten op een kleine chip. "We manipuleren deze atomen zodat ze niet in de staat met de laagst mogelijke energie terechtkomen, maar in een staat van hogere energie, " zegt Schmiedmayer. Vanuit deze opgewonden toestand, de atomen keren dan spontaan terug naar de grondtoestand met de laagste energie.

Echter, de elektromagnetische val is zo geconstrueerd dat deze terugkeer naar de grondtoestand fysiek onmogelijk is voor een enkel atoom - dit zou het behoud van momentum schenden. De atomen kunnen daarom alleen als paren naar de grondtoestand worden overgebracht en in tegengestelde richting wegvliegen, zodat hun totale momentum nul blijft. Hierdoor ontstaan ​​tweelingatomen die precies bewegen in de richting die wordt aangegeven door de geometrie van de elektromagnetische val op de chip.

Het dubbelspleten experiment

De val bestaat uit twee langwerpige, parallelle golfgeleiders. Het paar tweelingatomen kan zijn gemaakt in de linker of in de rechter golfgeleider - of, zoals de kwantumfysica toelaat, in beide tegelijk. "Het is net als het bekende dubbelspletenexperiment, waar je een deeltje op een muur schiet met twee spleten, " zegt Jörg Schmiedmayer. "Het deeltje kan tegelijkertijd door zowel de linker als de rechter spleet gaan, waarachter het zich bemoeit, en dit creëert golfpatronen die kunnen worden gemeten."

Hetzelfde principe kan worden gebruikt om te bewijzen dat de tweelingatomen inderdaad verstrengelde deeltjes zijn:alleen als je het hele systeem meet, d.w.z. beide atomen tegelijkertijd - kun je de golfachtige superposities detecteren die typerend zijn voor kwantumverschijnselen. Indien, anderzijds, je beperkt je tot een enkel deeltje, de golfsuperpositie verdwijnt volledig.

"Dit laat ons zien dat het in dit geval geen zin heeft om naar de deeltjes afzonderlijk te kijken, " legt Jörg Schmiedmayer uit. "In het dubbelspletenexperiment, de superposities verdwijnen zodra je meet of het deeltje door de linker- of rechterspleet gaat. Zodra deze informatie beschikbaar is, de kwantumsuperpositie wordt vernietigd. Het lijkt hier erg op elkaar:als de atomen verstrengeld zijn en je meet er maar één van, je zou theoretisch nog steeds het andere atoom kunnen gebruiken om te meten of ze allebei in het linker- of het rechterdeel van de val zijn ontstaan. Daarom, de kwantumsuperposities worden vernietigd."

Nu is bewezen dat ultrakoude atoomwolken inderdaad kunnen worden gebruikt om op deze manier op betrouwbare wijze verstrengelde tweelingatomen te produceren, met deze atoomparen zullen verdere kwantumexperimenten worden uitgevoerd, vergelijkbaar met die met fotonparen al mogelijk waren.