Het dubbelspletenexperiment is het bekendste en waarschijnlijk het belangrijkste experiment in de kwantumfysica:individuele deeltjes worden op een muur met twee openingen geschoten, waarachter een detector meet waar de deeltjes terechtkomen. Hieruit blijkt dat de deeltjes niet langs een heel specifiek pad bewegen, zoals bekend is van klassieke objecten, maar langs meerdere paden tegelijk:elk afzonderlijk deeltje gaat zowel door de linker- als de rechteropening.

Normaal gesproken kan dit echter alleen worden bewezen door het experiment herhaaldelijk uit te voeren en aan het einde de resultaten van veel deeltjesdetecties te evalueren. Aan de TU Wien ontwikkelden onderzoekers een nieuwe variant van zo'n tweerichtingsinterferentie-experiment dat deze fout kan corrigeren:een enkel neutron wordt op een specifieke positie gemeten - en dankzij de geavanceerde meetopstelling bewijst deze enkele meting al dat het deeltje bewoog langs twee verschillende paden tegelijk. Het is zelfs mogelijk om de verhouding te bepalen waarin het neutron over de twee paden is verdeeld. Het fenomeen van kwantumsuperpositie kan dus worden bewezen zonder toevlucht te hoeven nemen tot statistische argumenten. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Research .

Het experiment met twee spleten

"In het klassieke dubbelspletenexperiment wordt achter de dubbele spleet een interferentiepatroon gecreëerd", legt Stephan Sponar van het Atomic Institute van de TU Wien uit. "De deeltjes bewegen als een golf tegelijkertijd door beide openingen, en de twee deelgolven interfereren dan met elkaar. Op sommige plaatsen versterken ze elkaar, op andere plaatsen heffen ze elkaar op."

De kans om het deeltje achter de dubbele spleet op een heel specifieke locatie te meten, hangt af van dit interferentiepatroon:waar de kwantumgolf wordt versterkt, is de kans om het deeltje te meten groot. Waar de kwantumgolf wordt opgeheven, is de kans klein. Natuurlijk kan deze golfverdeling niet worden gezien door naar een enkel deeltje te kijken. Pas als het experiment vele malen wordt herhaald, wordt het golfpatroon punt voor punt en deeltje voor deeltje steeds herkenbaarder.

"Het gedrag van individuele deeltjes wordt dus verklaard op basis van resultaten die pas zichtbaar worden door statistisch onderzoek van veel deeltjes", zegt Holger Hofmann van de Universiteit van Hiroshima, die de theorie achter het experiment ontwikkelde. "Natuurlijk is dit niet helemaal bevredigend. We hebben daarom overwogen hoe het fenomeen van tweerichtingsinterferentie kan worden bewezen op basis van de detectie van een enkel deeltje."

Het neutron roteren

Dit werd mogelijk gemaakt met behulp van neutronen bij de neutronenbron van ILL in Grenoble:de neutronen worden op een kristal gestuurd dat de kwantumgolf van het neutron in twee deelgolven splitst, vergelijkbaar met het klassieke dubbelspletenexperiment. De twee partiële neutronengolven bewegen langs twee verschillende paden en worden opnieuw gecombineerd. Ze interfereren en worden vervolgens gemeten.

Daarnaast wordt echter gebruik gemaakt van een andere eigenschap van het neutron:zijn spin - het impulsmoment van het deeltje. Het kan worden beïnvloed door magnetische velden, het impulsmoment van het neutron wijst dan in een andere richting. Als de spin van het neutron slechts op één van de twee paden wordt geroteerd, is het mogelijk om achteraf te bepalen welk pad het heeft afgelegd. Maar dan verdwijnt ook het interferentiepatroon, als gevolg van complementariteit in de kwantummechanica.

"We roteren daarom de spin van het neutron een klein beetje", legt Hartmut Lemmel, de eerste auteur van de huidige publicatie, uit. "Dan blijft het interferentiepatroon over, omdat je maar heel weinig informatie over het pad kunt krijgen. Om toch precieze padinformatie te krijgen, wordt deze 'zwakke' meting vele malen herhaald in conventionele experimenten. Je krijgt dan echter alleen een statistische verklaring over het hele ensemble van neutronen en kan weinig zeggen over elk afzonderlijk neutron."

De rotatie omkeren

De situatie is anders als, nadat de twee neutronendeelgolven zijn samengesmolten, een ander magnetisch veld wordt gebruikt om de spin weer terug te draaien. Met vallen en opstaan ​​bepaalt men de rotatiehoek die nodig is om de spin van de gesuperponeerde toestand terug in de oorspronkelijke richting te draaien. De kracht van deze rotatie is een maat voor hoe sterk het neutron in elk pad aanwezig was. Als het alleen het pad had genomen waarop de spin is gedraaid, zou de volledige rotatiehoek nodig zijn om het terug te draaien. Als het alleen de andere weg had genomen, zou helemaal geen omgekeerde rotatie nodig zijn. In het experiment dat werd uitgevoerd met een speciale asymmetrische bundelsplitser, werd aangetoond dat de neutronen voor een derde aanwezig waren in het ene pad en voor tweederde in het andere.

Door middel van gedetailleerde berekeningen kon het team aantonen:hier detecteert men niet alleen een gemiddelde waarde over het geheel van alle gemeten neutronen, maar de verklaring geldt voor elk afzonderlijk neutron. Er zijn veel neutronen nodig om de optimale rotatiehoek te bepalen, maar zodra deze is ingesteld, geldt de padaanwezigheid die daaruit wordt bepaald voor elk gedetecteerd neutron.

"Onze meetresultaten ondersteunen de klassieke kwantumtheorie", zegt Stephan Sponar. "Het nieuwe is dat je geen toevlucht hoeft te nemen tot onbevredigende statistische argumenten:bij het meten van een enkel deeltje, laat ons experiment zien dat het twee paden tegelijkertijd moet hebben gevolgd en kwantificeert het de respectieve verhoudingen ondubbelzinnig." Dit sluit alternatieve interpretaties van de kwantummechanica uit die het dubbelspletenexperiment met gelokaliseerde deeltjes proberen te verklaren. + Verder verkennen

Nieuw kwantumeffect gevonden:Spin-rotatie koppeling