Vorig jaar, Anupam Mazumdar, een natuurkundige van de Rijksuniversiteit Groningen, samen met collega's uit het VK een experiment voorgesteld dat onomstotelijk zou kunnen bewijzen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is. Dit experiment zou zich richten op het observeren van twee relatief grote, verstrengelde kwantumsystemen in vrije val. In een nieuw artikel, gepubliceerd op 4 juni in Fysiek beoordelingsonderzoek , de wetenschappers beschrijven in meer detail hoe twee soorten ruis kunnen worden verminderd. Ze suggereren dat kwantuminterferentie kan worden toegepast bij de productie van een gevoelig instrument dat bewegingen van objecten kan detecteren, variërend van vlinders tot inbrekers en zwarte gaten.

Centraal in dit experiment staat een minuscule diamant, slechts enkele nanometers groot, waarin een van de koolstofatomen is vervangen door een stikstofatoom. Volgens de kwantumfysica, het extra elektron in dit atoom zou de fotonenergie van een laser wel of niet absorberen.

Diamant

Absorptie van de energie zou de spinwaarde van het elektron veranderen, een magnetisch moment dat zowel omhoog als omlaag kan zijn. "Net als de kat van Schrödinger, die tegelijkertijd dood en levend is, deze elektronenspin absorbeert wel en niet de fotonenergie, dus zijn draai is zowel op als neer, " legt Mazumdar uit. Dit proces resulteert in kwantumsuperpositie van de hele diamant. Door een magnetisch veld aan te leggen, het is mogelijk om de twee kwantumtoestanden te scheiden. Wanneer deze kwantumtoestanden weer bij elkaar worden gebracht door het magnetische veld uit te schakelen, ze zullen een interferentiepatroon creëren.

Deze diamant is klein genoeg om deze superpositie te ondersteunen, maar het is ook voldoende groot om te worden beïnvloed door de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. Wanneer twee van deze diamanten naast elkaar worden geplaatst onder omstandigheden van vrije val, ze werken alleen samen via de zwaartekracht ertussen. Het experiment was oorspronkelijk bedoeld om te testen of de zwaartekracht zelf een kwantumfenomeen is. Simpel gezegd, aangezien verstrengeling een kwantumfenomeen is, de verstrengeling van twee objecten die alleen door zwaartekracht interageren, zou dienen als bewijs dat zwaartekracht een kwantumfenomeen is.

Botsing

Elke bewegende massa zal een effect hebben op dit zeer gevoelige kwantumsysteem. In hun laatste krant Mazumdar en collega's beschrijven hoe deze verstoringen kunnen worden verminderd. Echter, het is ook duidelijk dat dit systeem kan worden gebruikt om bewegende massa's te detecteren. De eerste bron van geluid is de botsing van gas met de experimentele capsule in vrije val. Zelfs de impact van fotonen kan een storing veroorzaken. "Onze berekeningen laten zien dat deze effecten worden geminimaliseerd door de experimentele capsule in een grotere container te plaatsen, die een gecontroleerde omgeving creëert, " legt Mazumdar uit.

In zo'n buitencontainer, dit geluid is verwaarloosbaar bij een druk van 10 ^-6 Pascal, zelfs bij kamertemperatuur. Vereisten voor omstandigheden binnen de experimentele capsule zijn strenger. Momenteel, de wetenschappers schatten een vereiste druk van 10 ^-15 Pascal rond de 1 Kelvin. Gezien de huidige stand van de techniek, dit is nog niet haalbaar maar Mazumdar verwacht dat het binnen ongeveer 20 jaar wel mogelijk zou kunnen zijn.

Ruimtepuin

bewegende objecten, zelfs zo klein als een vlinder, gelegen nabij de proeflocatie vormen een tweede geluidsbron. Uit berekeningen blijkt dat dit geluid ook relatief eenvoudig kan worden gemitigeerd door de toegang tot de proeflocatie te beperken. Mensen dienen minimaal 2 meter afstand te houden van de proeflocatie, en auto's dienen een minimale afstand van 10 meter van de locatie aan te houden. Het passeren van vliegtuigen op een afstand van meer dan 60 meter van de proeflocatie zou geen probleem zijn. Aan al deze eisen kan eenvoudig worden voldaan.

Zodra het experiment is gestart, de reikwijdte ervan zou kunnen worden uitgebreid tot verder dan een onderzoek naar kwantumzwaartekracht, volgens Mazumdar. "Je zou het in een ruimtevaartuig kunnen stoppen, waar het de hele tijd in vrije val is. Vervolgens, je zou het kunnen gebruiken om binnenkomend ruimteafval te detecteren. Door gebruik te maken van meerdere systemen, het zou zelfs mogelijk zijn om de baan van het puin te krijgen." Een andere optie is om zo'n systeem in de Kuipergordel te plaatsen, waar het de beweging van ons zonnestelsel in de ruimte zou voelen. "En het kan alle nabijgelegen zwarte gaten detecteren, " voegt Mazumdar toe.

Terug op aarde, het kwantumsysteem zou in staat zijn om tektonische bewegingen te detecteren en misschien vroege waarschuwingen voor aardbevingen te geven. En, natuurlijk, de gevoeligheid van het kwantumsysteem voor elke beweging die zich in de buurt ervan voordoet, zou het een ideaal, als enigszins complex, bewegingssensor en inbraakalarm. Maar voor nu, de focus in de komende decennia ligt op het bepalen of zwaartekracht een kwantumfenomeen is.