1,3 miljoen euro om quantum-ineenstorting te betrappen
Leidse natuurkundigen Tjerk Oosterkamp en Dirk Bouwmeester ontvangen 1,3 miljoen euro voor het betrappen van een mysterie in de quantummechanica, samen met natuurkundige Jasper van Wezel van de Universiteit van Amsterdam. Het gaat om een ENW-Groot-beurs.
Quantummechanica beschrijft het gedrag van atomen, elektronen en andere kleine deeltjes extreem precies, maar heeft een mysterieuze kant: het voorspelt dat zulke deeltjes in 'superpositie' kunnen zijn, wat er in essentie op neerkomt dat de deeltjes op twee plaatsen tegelijk zijn.
Dat is vooral raar omdat we zulke superposities nooit in het echt zien: echte, 'macroscopische' objecten bevinden zich op één plaats, niet meerdere. Het lijkt erop dat er een grens bestaat tussen de quantumwereld en de macroscopische wereld die we allemaal kennen.
Een leidende interpretatie stelt dat dit komt doordat het bekijken van het deeltje, ofwel een meting doen, het dwingt om te kiezen tussen een van die twee posities. Oosterkamp: 'Maar het is onduidelijk hoe deze zogeheten "ineenstorting van de golffunctie" werkt. En wat houdt het precies in om een meting te doen?'
Superposities
Dit zijn de vragen die Bouwmeester, Oosterkamp en Van Wezel willen uitzoeken. Het plan is om te proberen een klein maar microscopisch object, een 'resonator', in superpositie te brengen.
In het lab van Bouwmeester is de resonator een micrometergroot spiegeltje, dat in superpositie raakt doordat het geraakt wordt door een foton of lichtdeeltje. Het Lab van Oosterkamp gebruikt een 5 micrometer groot magnetisch bolletje, trillend aan het uiteinde van een dunne naald.
Lage temperaturen
Voor het detecteren van quantumeffecten zijn de eisen hoog. Een van die eisen is een extreme lage temperatuur, een Leids specialisme. De koelapparatuur moet kunnen afkoelen naar 1 millikelvin, ofwel een duizendste graad boven het absolute nulpunt van van -273,15 graden Celsius.
Ook moeten alle trillingen buiten de deur te gehouden worden: in de nieuwe meethal in het Gorlaeusgebouw zijn de instrumenten gebouwd bovenop grote trillingsvrije betonnen eilanden in de vloer.
Als de opstelling eenmaal werkt, kunnen de onderzoekers verschillende theorieën over de ineenstorting van superpositie testen. Een theorie stelt bijvoorbeeld dat de massa van een resonator de mogelijkheid beperkt om in superpositie te komen.
Filosofische vraag
Oosterkamp: 'Om zo'n superpositie te kunnen betrappen, hebben we een experiment ontworpen waarbij we het maken van superposities herhalen. Als de resonator dan in superpositie raakt, moeten we interferentie zien: verschillende niveaus van superpositie die elkaar opheffen. Maar als er geen quantumsuperpositie is, zal die interferentie ook niet te zien zijn.'
Tot nu toe is het ineenstorten van quantumsuperposities een vraag van theoretisch, bijna filosofisch belang, maar het antwoord zou ook belangrijk kunnen zijn voor quantumcomputers. Deze nieuwe technologie, waarin stevig geïnvesteerd wordt, gebruikt quantumsuperpositie om complexe berekeningen te versnellen.
Forse uitdaging
De onderzoekssubsidie van 1,3 miljoen euro uit het NWO Open Competitie ENW Groot-programma bestrijkt vijf jaar en voorziet in financiering voor drie promovendi en apparatuur en materialen. Oosterkamp: 'De technische uitdagingen zijn zeer uitdagend, maar ik denk dat we eindelijk zo ver zijn dat we zulke vragen experimenteel kunnen bevragen.'
Tekst: Bruno van Wayenburg