Natuurkundigen hebben een saffierkristal met biljarden atomen in een superpositie van quantumtoestanden gebracht. Daarmee brengen ze quantumeffecten de macroscopische wereld in.
Natuurkundigen hebben een kristal met zo’n tien biljard atomen in een superpositie van twee quantumtoestanden gebracht. Daarmee verpulveren ze het vorige record van slechts 2.000 atomen. Het resultaat verlegt de grenzen van de quantumwereld.
Wanneer een deeltje zich in een quantumsuperpositie van twee toestanden bevindt, neemt het beide toestanden tegelijkertijd in. Het beroemdste voorbeeld is de kat van Schrödinger: een gedachte-experiment waarbij een kat in een doos zowel dood als levend is, totdat je de doos opent om te zien in wat voor toestand het dier zich bevindt.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Saffierkristal
Voor dit experiment lieten natuurkundigen Matteo Fadel van de ETH Zürich en zijn collega’s een piepklein saffierkristal trillen. Met een supergeleidende qubit, de quantumversie van een computerbit, beheersten ze de precieze quantumtoestand van het kristal. Zo brachten ze het kristal in een superpositie van twee bewegingstoestanden: trillend en stilstaand. Na enkele tientallen microseconden verviel de superpositie en bleef het kristal stilstaan.
Zo’n superpositie is niet hetzelfde als een toestand waarin het kristal slechts een beetje trilt. Fadel vergelijkt het met een lamp met een dimmer. ‘Je kunt de lichtsterkte steeds verder afzwakken. Uiteindelijk kom je dan op het punt dat je lamp wel of niet één foton uitzendt – er bestaan immers geen halve lichtdeeltjes’, zegt hij. ‘Net zo bestaat er niet zoiets als een halve trilling.’
Macroscopiciteit
Door zoveel atomen in een quantumtoestand te brengen, willen natuurkundigen achterhalen of er een grens zit aan de schaal van quantumeffecten. ‘De quantumfysica stelt hier in principe geen limiet aan – ze heeft er geen moeite mee dat ik hier en daar tegelijk ben’, zegt natuurkundige Rainer Kaltenbaek van de Universiteit van Ljubljana. ‘Maar als deze toestanden steeds macroscopischer worden, komen we op een gegeven moment in een gebied waar het conceptueel een uitdaging voor ons wordt. Ons begrip van ruimte en tijd en hoe de natuur werkt wordt dan op de proef gesteld.’
Quantumeffecten zoals superposities van toestanden zien we niet in ons dagelijks leven. Het lijkt er dus op dat deze effecten op een gegeven moment afnemen. Mogelijk komt dat door de zwaartekracht, die pas op grotere schaal een belangrijke rol begint te spelen.
Natuurkundigen duiden de schaal van quantumexperimenten aan met een maat die ze ‘macroscopiciteit’ noemen. Dat getal wordt bepaald aan de hand van verschillende factoren, waaronder het aantal atomen dat zich in een superpositie van quantumtoestanden bevindt, hun massa, de mate van verschil tussen de twee toestanden en de tijd dat de superpositie aanhoudt.
Fadel en zijn team berekenden voor hun experiment een macroscopiciteit van ongeveer elf. Dat is veel hoger dan elke andere test met dit soort trillingen. Het is echter niet de hoogste macroscopiciteit die ooit met een quantumexperiment is behaald. Dat record werd in 2019 bereikt door een ander team van onderzoekers. Die hielden een atoom in een ruimtelijke superpositie van twee toestanden 4 micrometer uit elkaar. Daarbij bereikten ze een macroscopiciteit van veertien.
Spannend
‘Zelfs met deze nieuwe aanpak zitten ze wat betreft macroscopiciteit al in de buurt van het niveau van systemen die al zo’n twintig jaar bestaan’, zegt Kaltenbaek. Het nieuwe systeem lijkt bovendien relatief eenvoudig op te schalen, aldus Fadel.
‘Een volgende stap is te kijken hoe macroscopisch we de quantummechanica kunnen maken. Als we ontdekken dat er echt een grens zit aan de macroscopiciteit van superposities, zou dat een van de spannendste ontdekkingen ooit zijn’, zegt natuurkundige Tim Kovachy van de Northwestern Universiteit in de VS.
In dat geval zou de huidige theorie van de quantummechanica onvolledig zijn. ‘Dat zou een enorm effect hebben op ons begrip van de natuurkunde en het universum’, zegt Kovachy.
