Voor het eerst hebben natuurkundigen gemeten hoe snel de aarde om haar as draait met behulp van quantumverstrengeling van lichtdeeltjes. Dit opent mogelijk de weg naar onderzoek op het grensvlak van de quantummechanica en zwaartekracht.
De rotatie van de aarde kan op verschillende manieren gemeten worden. Je kunt bijvoorbeeld kijken hoe de positie van sterren aan de hemel verandert. Maar voor een meer nauwkeurige waarneming kun je beter interferometers gebruiken, die meten hoe lang bundels laserlicht erover doen om bepaalde afstanden af te leggen.
Natuurkundigen hebben nu een trucje toegepast waardoor ze deze interferometers nóg nauwkeurig kunnen maken. Dat doen ze door geen gewoon laserlicht te gebruiken maar lichtdeeltjes (fotonen) die quantumverstrengeld zijn. Dankzij de bijzondere quantumband die deeltjes dan hebben, kun je de afgelegde afstanden nog preciezer bepalen. De resultaten verschenen in vakblad Science Advances.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Twee richtingen
Het apparaat dat de onderzoekers een quantum-upgrade hebben gegeven is een zogeheten optische Sagnac-interferometer. Hierbij schijn je een laserbundel op een prisma of een halfdoorlatende spiegel waardoor hij wordt opgesplitst in twee bundels die in tegengestelde richting verder reizen. Vervolgens zorg je er met spiegels of glasvezelkabels voor dat de twee lichtbundels hetzelfde, rechthoekige pad afleggen, maar in tegengestelde richtingen: de ene bundel reist daarbij met de klok mee, de andere beweegt tegen de klok in. Uiteindelijk komen ze weer samen bij de prisma of halfdoorlatende spiegel waar ze begonnen.
‘Als alles stilstaat, dan leggen de twee bundel exact dezelfde afstand af en dan komen ze op precies hetzelfde moment weer terug bij het beginpunt’, vertelt natuurkundige Raffaele Silvestri Universiteit van Wenen, die bij het onderzoek betrokken was. Licht is een golf, en in dat geval vallen de toppen van de lichtgolven van de twee bundels samen, waardoor ze elkaar versterken in het gecombineerde signaal.
‘Maar als het systeem draait, dan zal de ene bundel een langere afstand afleggen dan de andere, waardoor de twee niet meer tegelijkertijd aankomen.’ Dan vallen de toppen niet precies samen, en is het gecombineerde signaal minder sterk. Hieruit kun je afleiden hoe snel het systeem draait. Als je een voldoende nauwkeurige optische Sagnac-interferometer op het aardoppervlak bouwt, dan kun je hiermee de rotatie van de aarde en zelfs kleine veranderingen in die rotatie meten.
Quantumband
De Sagnac-interferometer die de onderzoekers gebouwd hebben, gaat nog een stapje verder. Ze gebruiken geen gewone laserlichtbundels, maar quantumverstrengelde lichtdeeltjes. Verstrengelde quantumdeeltjes zijn op een bijzondere manier met elkaar gekoppeld waardoor ze fysieke eigenschappen delen. Als je bijvoorbeeld meet dat het ene deeltje rechtsom tolt, dan weet je vanaf exact dat moment dat de verstrengelde partner linksom draait. Die verbintenis blijft bestaan, ongeacht hoe ver de deeltjes zich bij elkaar vandaan bevinden.
Dit quantumverschijnsel zorgt er ook voor dat twee verstrengelde lichtdeeltjes in een interferometer zich gedragen als één deeltje dat tegelijkertijd met de klok mee én tegen de klok in door het apparaat beweegt. Omdat het twee deeltjes zijn, is het alsof ze allebei de afstand in beide richtingen afleggen. Dat levert een dubbel zo sterk signaal op als je het tijdsverschil wilt meten.
De onderzoekers toonden aan dat deze techniek werkt door verstrengelde lichtdeeltjes in tegengestelde richting te laten reizen door een glasvezelkabel van twee kilometer lang die om een grote spoel gewikkeld zat.
Zwaartekracht
Een van de meest ambitieuze vervolgstappen van dit experiment is om deze quantum-interferometer nog nauwkeuriger te maken, zodat natuurkundigen zwaartekrachteffecten op de verstrengelde lichtdeeltjes kunnen meten. Daarbij gaat het om door Einstein voorspelde zwaartekrachteffecten, zoals de manier waarop een zwaar roterend object als de aarde de ruimtetijd vervormt, en die kromming als het ware ‘meetrekt’ tijdens het roteren. Het is nog niet duidelijk hoe dit quantumverstrengeling kan beïnvloeden.
Silvestri: ‘Deze metingen zouden de eerste experimentele test zijn van het gedrag van de quantummechanica in de gekromde ruimtetijd van Einsteins zwaartekrachttheorie. Het zou daarmee licht kunnen werpen op dit onontdekte natuurkundige regime, waar deze twee fundamentele theorieën elkaar ontmoeten.’
