Universiteit Leiden

nl en

Nieuw wapen in de jacht op de quantum-instorting

Het is met afstand de beroemdste kat uit de wetenschap: Schrödinger's kat die kan verkeren in een superpositie, een toestand van zowel leven als dood. Totdat je kijkt, want dan 'kiest' de kat een van de twee opties. Leidse natuurkundigen rekenden een experiment door waarmee dit raadselachtige keuzemoment op heterdaad betrapt kan worden.

Dit moment van kiezen wordt de ineenstorting van de golffunctie genoemd in de quantummechanica, de natuurkunde die het gedrag van de allerkleinste deeltjes beschrijft. 

Tom van der Reep, Tjerk Oosterkamp en andere natuurkundigen van de Universiteit Leiden en de Universiteit van Genève beschrijven in een artikel in het vakblad Physics Status Solidi B hoe ze hopen dit raadselachtige moment te betrappen: mMet een quantummechanische opstelling waarin lichtdeeltjes van microgolven de rol spelen van de dood-levende kat. 

Oosterkamp: 'Superposities zijn heel gewoon in de quantummechanica, maar in de wereld waarin wij leven, de macroscopische wereld, zie je dat nooit.'  Een kat is levend of dood, niet allebei.  Volgens de gangbare 'Kopenhaagse interpretatie' zou dat komen doordat de superpositie verdwijnt zo gauw je een 'meting' doet aan het lichtdeeltje (of de kat). 

Interferentie van deeltjes via route A en B: maar één detector gaat af

Instorting van de golffunctie

Oosterkamp: 'Maar nergens wordt in de Kopenhaagse interpretatie uitgelegd hoe dat dan werkt. Wat is dan precies een meting?' Ook een meetinstrument bestaat immers uit atomen die luisteren naar de wetten van quantummechanica. Wat maakt een 'meting' dan bijzonder?  Is het de lengteschaal van het meetinstrument? De massa? Nog iets anders? Niemand die het weet. Er zijn zelfs interpretaties waarbij een meting pas optreedt als een bewuste waarnemer die doet (of waarbij het complete universum splitst in meerdere varianten).

De Leidenaren besloten de jacht op de instorting van de golffunctie aan te pakken vanuit het perspectief van een zo eenvoudig mogelijke versterker. Ze beginnen met lichtdeeltjes van microgolven -ook een vorm van licht- in een superpositie. Zo'n lichtdeeltje neemt in hun opstelling tegelijkertijd route A als route B. 

Deze superpositie is aan te tonen door de beide routes weer bij elkaar te brengen. Het deeltje 'interfereert' dan met zichzelf, wat inhoudt dat deeltjes uiteindelijk slechts in één van de twee uitgangsrichtingen te detecteren zijn.  Is er geen superpositie, en dus geen interferentie, dan duikt het deeltje op in beide uitgangsrichtingen. Tot zover is gesneden quantummechanische koek, en ook al vaak aangetoond in experimenten.

Geen interferentie: beide detectors detecteren deeltjes

Lage temperaturen

De volgende stap was het introduceren van een 'meting'. Oosterkamp: 'Bij de metingen van een quantummechanisch systeem komt versterking kijken, omdat je een klein signaal vertaalt naar een groot signaal. Dus je zou kunnen aannemen dat die versterking de golffunctie doet instorten.'

Dus plaatsten de natuurkundigen in zowel route A als B parametrische versterkers, een type versterker dat goed quantummechanisch te beschrijven is, en die gebaseerd is op een groot aantal supergeleidende Josephson-juncties. 

Daarvoor is een ultrakoude temperatuur nodig van 50 milliKelvin, een twintigste van een graad boven het absolute nulpunt van -273,15 graden Celsius. Zulke lage temperaturen zijn ook nodig om te verzekeren dat het verdwijnen van de interferentie-effecten niet gewoon de invloed van de warmte is.

Wat gebeurt er bij versterking? Stort de golffunctie in?

Betrappen

Het idee is vervolgens om de versterking langzaam op te voeren, en te kijken wat er gebeurt met de interferentie. In het artikel beschrijven de natuurkundigen hoe het instorten van de golffunctie op zo'n manier een duidelijk 'meetbare afname' van de interferentie signaal zou moeten geven. Het instorten van de golffunctie is op deze manier mogelijk te betrappen.

'Als dat lukt, zou dat natuurlijk geweldig zijn. Vervolgens wil je natuurlijk met de parameters variëren om te kijken wat er van invloed is op het moment van instorten', zegt Oosterkamp. 'We laten zien dat dat kan.'

Quantumcomputers

De publicatie was een rekenoefening, dus nu hoeft alleen nog de opstelling gebouwd te worden. Oosterkamps groep heeft de juiste koelapparatuur om de experimenten uit te voeren, maar het zal nog een hele klus zijn om parametrische versterkers te ontwikkelen die een hoge versterking combineren met een zeer lage warmteproductie. 

Het experiment is daarom een samenwerking met voormalige Leidse collega Alessandro Bruno die het bedrijf QuantWare heeft opgericht. Zijn bedrijf produceert deze versterkers voor toekomstige quantumcomputers. Het is nu afwachten op de tests die moeten uitwijzen of de versterkers koud genoeg blijven, vertelt Oosterkamp. 'Dan kunnen we deze experimenten ook echt gaan uitvoeren.'

Cover van de aflevering van Physica Status Solidi B

Tom H. A. van der Reep, Xavier G. A. Le Large, Ruben H. Guis, Tjerk H. Oosterkamp, Louk Rademaker, 'An Experimental Proposal to Study Collapse of the Wave Function in Traveling-Wave Parametric Amplifiers', Physica Status Solidi B, Vol. 258, issue 4 (2021), doi.org/10.1002/pssb.202000567

Tom van der Reep: de jacht op de ineenstorting van de golffunctie

Deze video kan niet worden getoond omdat u geen cookies heeft geaccepteerd.

Verlaat onze website om deze video te bekijken.
Deze website maakt gebruik van cookies.  Meer informatie.