Op het gebied van de kwantummechanica tart het gedrag van deeltjes vaak onze intuïtie en daagt het ons begrip van het universum uit. Een van de meest fundamentele principes van de kwantumtheorie is het superpositieprincipe, dat stelt dat deeltjes tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen bestaan ​​totdat ze worden gemeten of waargenomen. Deze inherente onzekerheid is een onderwerp geweest van voortdurend debat en experimentele verificatie. Nu hebben onderzoekers van het Instituut voor Quantum Optica en Quantum Informatie (IQOQI) in Oostenrijk en hun internationale medewerkers een belangrijke stap voorwaarts aangetoond in het testen van de grenzen van dit fundamentele principe en het verkennen van de onvoorspelbare aard van de kwantummechanica.

In een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics voerden de onderzoekers een reeks ingewikkelde experimenten uit met fotonen (lichtdeeltjes) om het concept van 'contextualiteit' te onderzoeken, dat de afhankelijkheid beschrijft van het gedrag van een kwantumsysteem van de specifieke meetinstellingen. De experimenten hadden tot doel vast te stellen of het gedrag van een kwantumsysteem kan afhangen van toekomstige meetkeuzes zonder het systeem zelf te verstoren.

De innovatieve experimentele opstelling van het team combineerde verschillende ultramoderne kwantumoptische technieken om het gedrag van afzonderlijke fotonen nauwkeurig te controleren en te manipuleren. Dankzij de opstelling konden de onderzoekers twee verschillende soorten metingen op hetzelfde foton uitvoeren zonder de kwantumtoestand ervan te beïnvloeden. Bij de eerste meting werd onderscheid gemaakt tussen twee specifieke polarisatietoestanden (horizontaal en verticaal), terwijl bij de tweede meting onderscheid werd gemaakt tussen diagonale polarisatietoestanden. Cruciaal was dat de keuze welke meting moest worden uitgevoerd, werd bepaald nadat het foton al door het eerste meetapparaat was gegaan.

De experimentele resultaten bevestigden dat het gedrag van de fotonen afhing van de daaropvolgende meetsetting, wat een niet-klassieke contextualiteit aantoont die verder gaat dan de klassieke natuurkunde. Deze opmerkelijke observatie impliceert dat de keuze van toekomstige meetinstellingen het verleden kan beïnvloeden of, op equivalente wijze, dat het foton zich gedraagt ​​alsof het kennis van de toekomst bezit om zijn gedrag dienovereenkomstig aan te passen.

"Ons werk is belangrijk omdat het licht werpt op de fundamentele aard van de kwantumtheorie en de rol van contextualiteit bij het bepalen van de uitkomsten van kwantumexperimenten", legt Philip Walther uit, hoogleraar aan IQOQI en de Universiteit van Wenen, die het onderzoeksteam leidde. "Dit soort meetafhankelijkheid op kwantumniveau daagt ons begrip van het begrip causaliteit en de aard van tijd in de natuurkunde uit."

De onderzoekers benadrukken dat hun bevindingen geen enkel middel bieden om daadwerkelijk de toekomst te voorspellen of tijdreizen te maken. In plaats daarvan bieden ze inzicht in de diepe en ingewikkelde aard van kwantumverschijnselen en ons begrip van het gedrag van het universum op de kleinste schaal. Door de grenzen van kwantummetingen en het samenspel van keuzes en resultaten af ​​te tasten, verleggen deze experimenten de grenzen van de menselijke kennis en bieden ze een pad voor toekomstige verkenningen op het gebied van de fundamentele kwantumfysica.

Het baanbrekende onderzoek van IQOQI is niet alleen een intellectuele bezigheid, maar weerspiegelt ook het belang van fundamenteel onderzoek bij het vergroten van ons begrip van de fundamentele regels die ons universum beheersen. Door de subtiele eigenaardigheden van de kwantumwereld te onderzoeken, dragen natuurkundigen bij aan de vooruitgang van de wetenschap en leggen ze de basis voor potentiële technologische doorbraken die de kracht hebben om de samenleving op onverwachte manieren te veranderen. Terwijl we dieper in het rijk van de kwantummechanica duiken, komen we oog in oog te staan ​​met de boeiende en onvoorspelbare aard van onze realiteit en blijven we leren wat het betekent om te bestaan ​​in een universum dat wordt geregeerd door kwantumprincipes.