De Nobelprijs voor de natuurkunde van 2022 erkende drie wetenschappers die baanbrekende bijdragen hebben geleverd aan het begrijpen van een van de meest mysterieuze van alle natuurlijke fenomenen:kwantumverstrengeling.

In de eenvoudigste bewoordingen betekent kwantumverstrengeling dat aspecten van het ene deeltje van een verstrengeld paar afhangen van aspecten van het andere deeltje, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn of wat er tussenin ligt. Deze deeltjes kunnen bijvoorbeeld elektronen of fotonen zijn, en een aspect kan de toestand zijn waarin het zich bevindt, bijvoorbeeld of het in de ene of de andere richting "draait".

Het vreemde van kwantumverstrengeling is dat wanneer je iets meet aan het ene deeltje in een verstrengeld paar, je meteen iets weet over het andere deeltje, zelfs als ze miljoenen lichtjaren van elkaar verwijderd zijn. Deze vreemde verbinding tussen de twee deeltjes is onmiddellijk en lijkt een fundamentele wet van het universum te overtreden. Albert Einstein noemde het fenomeen 'spookachtige actie op afstand'.

Na het grootste deel van twee decennia experimenten uit te voeren die geworteld zijn in de kwantummechanica, ben ik de vreemdheid ervan gaan accepteren. Dankzij steeds nauwkeurigere en betrouwbaardere instrumenten en het werk van de Nobelprijswinnaars van dit jaar, Alain Aspect, John Clauser en Anton Zeilinger, integreren natuurkundigen nu met een uitzonderlijke mate van zekerheid kwantumverschijnselen in hun kennis van de wereld.

Maar zelfs tot de jaren zeventig waren onderzoekers nog steeds verdeeld over de vraag of kwantumverstrengeling een echt fenomeen was. En om goede redenen - wie zou de grote Einstein durven tegenspreken, die er zelf aan twijfelde? Het kostte de ontwikkeling van nieuwe experimentele technologie en gedurfde onderzoekers om dit mysterie eindelijk te laten rusten.

Bestaat in meerdere staten tegelijk

Om de griezeligheid van kwantumverstrengeling echt te begrijpen, is het belangrijk om eerst kwantumsuperpositie te begrijpen. Kwantumsuperpositie is het idee dat deeltjes in meerdere toestanden tegelijk bestaan. Wanneer een meting wordt uitgevoerd, is het alsof het deeltje een van de toestanden in de superpositie selecteert.

Veel deeltjes hebben bijvoorbeeld een attribuut genaamd spin dat wordt gemeten als "omhoog" of "omlaag" voor een bepaalde oriëntatie van de analysator. Maar totdat je de spin van een deeltje meet, bestaat het tegelijkertijd in een superpositie van spin omhoog en spin omlaag.

Aan elke toestand is een waarschijnlijkheid verbonden en het is mogelijk om de gemiddelde uitkomst van veel metingen te voorspellen. De kans dat een enkele meting omhoog of omlaag gaat, hangt af van deze kansen, maar is zelf onvoorspelbaar.

Hoewel heel raar, hebben de wiskunde en een groot aantal experimenten aangetoond dat de kwantummechanica de fysieke realiteit correct beschrijft.

Twee verstrengelde deeltjes

Het spookachtige van kwantumverstrengeling komt voort uit de realiteit van kwantumsuperpositie en was duidelijk voor de grondleggers van de kwantummechanica die de theorie in de jaren 1920 en 1930 ontwikkelden.

Om verstrengelde deeltjes te maken, breek je in wezen een systeem in tweeën, waarbij de som van de delen bekend is. Je kunt bijvoorbeeld een deeltje met een spin van nul splitsen in twee deeltjes die noodzakelijkerwijs tegengestelde spins hebben, zodat hun som nul is.

In 1935 publiceerden Albert Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen een paper waarin een gedachte-experiment werd beschreven dat was ontworpen om een ​​schijnbare absurditeit van kwantumverstrengeling te illustreren die een fundamentele wet van het universum uitdaagde.

Een vereenvoudigde versie van dit gedachte-experiment, toegeschreven aan David Bohm, beschouwt het verval van een deeltje dat het pi-meson wordt genoemd. Wanneer dit deeltje vervalt, produceert het een elektron en een positron die tegengestelde spin hebben en van elkaar weg bewegen. Daarom, als wordt gemeten dat de elektronspin omhoog is, kan de gemeten spin van het positron alleen omlaag zijn, en vice versa. Dit geldt zelfs als de deeltjes miljarden kilometers van elkaar verwijderd zijn.

Dit zou prima zijn als de meting van de elektronenspin altijd omhoog zou zijn en de gemeten spin van het positron altijd omlaag. Maar vanwege de kwantummechanica is de spin van elk deeltje zowel deels omhoog als deels omlaag totdat het wordt gemeten. Alleen wanneer de meting plaatsvindt, "klapt" de kwantumtoestand van de spin in of omhoog of omlaag - waardoor het andere deeltje onmiddellijk in de tegenovergestelde spin wordt samengevouwen. Dit lijkt erop te wijzen dat de deeltjes met elkaar communiceren via een manier die sneller beweegt dan de lichtsnelheid. Maar volgens de wetten van de natuurkunde kan niets sneller reizen dan de lichtsnelheid. De gemeten toestand van het ene deeltje kan toch niet onmiddellijk de toestand van een ander deeltje aan het uiteinde van het heelal bepalen?

Natuurkundigen, waaronder Einstein, stelden in de jaren dertig een aantal alternatieve interpretaties van kwantumverstrengeling voor. Ze theoretiseerden dat er een onbekende eigenschap was - verborgen variabelen genaamd - die de toestand van een deeltje vóór meting bepaalden. Maar in die tijd hadden natuurkundigen niet de technologie of een definitie van een duidelijke meting die kon testen of de kwantumtheorie moest worden aangepast om verborgen variabelen op te nemen.

Een theorie weerleggen

Het duurde tot de jaren zestig voordat er aanwijzingen waren voor een antwoord. John Bell, een briljante Ierse natuurkundige die het niet overleefde om de Nobelprijs te ontvangen, bedacht een schema om te testen of het begrip verborgen variabelen klopte.

Bell produceerde een vergelijking die nu bekend staat als de ongelijkheid van Bell en die altijd correct is - en alleen correct - voor theorieën over verborgen variabelen, en niet altijd voor de kwantummechanica. Dus als in een experiment in de echte wereld niet aan de vergelijking van Bell bleek te worden voldaan, kunnen lokale theorieën over verborgen variabelen worden uitgesloten als verklaring voor kwantumverstrengeling.

De experimenten van de 2022 Nobelprijswinnaars, met name die van Alain Aspect, waren de eerste tests van de Bell-ongelijkheid. De experimenten gebruikten verstrengelde fotonen, in plaats van paren van een elektron en een positron, zoals in veel gedachte-experimenten. De resultaten sloten het bestaan ​​van verborgen variabelen definitief uit, een mysterieus attribuut dat de toestand van verstrengelde deeltjes vooraf zou bepalen. Gezamenlijk hebben deze en vele vervolgexperimenten de kwantummechanica gerechtvaardigd. Objecten kunnen over grote afstanden worden gecorreleerd op manieren die de natuurkunde vóór de kwantummechanica niet kan verklaren.

Belangrijk is dat er ook geen conflict is met de speciale relativiteitstheorie, die communicatie sneller dan het licht verbiedt. Het feit dat metingen over grote afstanden gecorreleerd zijn, betekent niet dat er informatie tussen de deeltjes wordt overgedragen. Twee partijen die ver van elkaar verwijderd zijn en metingen doen aan verstrengelde deeltjes kunnen het fenomeen niet gebruiken om informatie sneller dan de lichtsnelheid door te geven.

Tegenwoordig blijven natuurkundigen onderzoek doen naar kwantumverstrengeling en mogelijke praktische toepassingen onderzoeken. Although quantum mechanics can predict the probability of a measurement with incredible accuracy, many researchers remain skeptical that it provides a complete description of reality. One thing is certain, though. Much remains to be said about the mysterious world of quantum mechanics.