Een quantumsysteem is betrapt halverwege een sprong. Door sommige fysici werd dit onmogelijk geacht, omdat zo’n sprong geen tijd zou beslaan. Een nieuw experiment toont aan dat het wel tijd kost en dat de quantumsprongen zich zelfs aankondigen.
Met hun experiment tonen onderzoekers van de Amerikaanse Yale-universiteit voor het eerst aan dat een quantumsprong geen abrupt proces is, maar geleidelijk gebeurt.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Binnen een atoom bevinden elektronen zich alleen in die specifieke, discrete energieniveaus. Ze worden nooit waargenomen in het gebied tussen de niveaus, maar ze kunnen wel ertussen heen en weer springen. Dat zijn de quantumsprongen.
Kopenhagen en Schrödinger
Er was en is veel discussie over hoe die sprongen plaatsvinden. Volgens de Kopenhaagse interpretatie, bedacht door grote natuurkundigen als Niels Bohr en Werner Heisenberg, zijn de sprongen instantaan: er verstrijkt geen tijd tijdens de sprong.
Anderen, zoals Erwin Schrödinger die de belangrijke schrödingervergelijking voor quantummechnica formuleerde, dachten dat de plotse quantumsprongen slechts schijn zijn. Als je in genoeg detail kunt kijken, zie je dat de overgang tussen de niveaus geleidelijk moeten zijn, schreef hij. Ook dacht hij dat de sprongen, die onvoorspelbaar lijken, wel degelijk voorspelbaar zijn, mits je genoeg informatie hebt.
Inzoomen op quantumsystemen
De onderzoekers van Yale besloten met een experiment deze discussie te beslechten. Ze gebruiken een supergeleidend draadje als een ‘kunstmatig atoom’. Net als een ‘gewoon’ atoom heeft deze meerdere energieniveaus waartussen het quantumsysteem heen en weer kan springen. In dit geval zijn dat drie niveaus: een ‘grondtoestand’, een ‘lichte’ en een ‘donkere’ toestand.
Door het kunstmatige atoom te bestralen met microgolfstraling, brengen de onderzoekers het van de grondtoestand in de lichte toestand. Vervolgens ‘valt’ het weer terug naar de grondtoestand en zendt daarbij een een lichtdeeltje (foton) uit. Zo stuitert het atoom heen en weer tussen de lichte en de grondtoestand.
Maar af en toe, op onvoorspelbare momenten, springt het atoom niet naar de lichte, maar naar de donkere toestand. Daar blijft het een tijdje totdat het terugvalt naar de grondtoestand. Daarbij wordt geen foton uitgezonden. De detector meet dan ongeveer 0,1 milliseconde niets. Zo weten de onderzoekers dat er een quantumsprong naar de donkere toestand heeft plaatsgevonden.
Het is nodig om de toestand op zo’n indirecte manier te meten. Met een directe meting maak je een quantumsysteem namelijk ‘kapot’, waardoor het niet meer kan springen.
Vulkaanuitbarsting
De onderzoekers wisten zo wanneer er een quantumsprong was geweest. Maar ze wilden meer. Ze wilden de sprong zelf zien.
Toevallig maten ze dat de detector vlak voor een sprong even stilviel. Die stilte was korter dan tijdens een sprong. Maar het atoom stuiterde duidelijk iets trager tussen de lichte en de grondtoestand dan ruim ervoor en erna. Met die vertraging kondigde het systeem een quantumsprong aan.
Dit betekent niet dat de quantumsprongen volledig voorspelbaar zijn. ‘Het is vergelijkbaar met een vulkaanuitbarsting’, zegt Zlatko Minev, een van de onderzoekers. ‘Op lange termijn is het onvoorspelbaar wanneer een vulkaan zal uitbarsten, maar vlak van tevoren zijn er wel aanwijzingen dat er een uitbarsting aankomt.’
Dankzij de aankondiging wisten de onderzoekers wanneer er een quantumsprong zou zijn. Precies na het begin van een sprong stuurden ze een lichtpuls door het kunstmatige atoom. De sprong werd daardoor afgesneden en het atoom keerde terug naar de grondtoestand.
Dat de sprong onderweg afgesneden kan worden betekent dat het een continu proces is dat tijd kost. Het is dus geen plotse, abrupte verandering zoals de Kopenhaagse interpretatie voorschrijft. In dit experiment bleek een sprong ongeveer vier microseconden te duren .
Zeventig jaar na zijn artikel over quantumsprongen krijgt Schrödinger dus gedeeltelijk gelijk.