Quantum delokalisatie bij alle snelheden | EurekAlert! wetenschappelijk nieuws

Het fenomeen van kwantumdelokalisatie stelt onze dagelijkse intuïtie op de proef. Het toont sterke correlaties tussen veel kwantumdeeltjes, waarvan sommige onmiddellijk van toestand veranderen wanneer andere worden gemeten, ongeacht de afstand ertussen. Hoewel dit fenomeen is bevestigd voor langzaam bewegende deeltjes, is er discussie over de vraag of delokalisatie wordt gehandhaafd wanneer deeltjes zeer snel bewegen met snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen, en zelfs meer wanneer deze snelheden mechanisch onbepaald zijn. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Wenen, de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en het Perimeter Instituut een rapport gepresenteerd in het laatste nummer van fysieke beoordelingsberichten Die delokalisatie is een universele eigenschap van de wereld, ongeacht hoe en met welke snelheid kwantumdeeltjes bewegen.

Hoe associaties in het dagelijks leven kunnen ontstaan, is eenvoudig te illustreren. Stel je voor dat je elke dag van de maand naar twee van je vrienden, Alice en Bob, een game-engine voor twee groepen stuurt voor hun groep. Je kunt elke motor kiezen uit rood, blauw, elektrisch of stoom. Je vrienden zijn op grote afstand van elkaar gescheiden en weten niets van je keuze. Zodra hun pakket is aangekomen, kunnen ze de kleur van hun motor controleren met een apparaat dat onderscheid kan maken tussen rood en blauw of controleren of de motor elektrisch of stoom is met een ander apparaat. Ze vergelijken metingen die in de loop van de tijd zijn gedaan om specifieke correlaties te vinden. In onze dagelijkse wereld worden dergelijke associaties beheerst door twee principes – “realisme” en “status”. “Realistisch” betekent dat Alice en Bob alleen de kleur of het mechanisme van de motor onthullen die je in het verleden hebt gekozen, en “gebied” betekent dat de meting van Alice de kleur of het mechanisme van de motor van Bob niet kan veranderen (of omgekeerd). De theorie van Bell, gepubliceerd in 1964 en door sommigen beschouwd als een van de meest diepgaande ontdekkingen in de fundamenten van de natuurkunde, toonde aan dat correlaties in de kwantumwereld niet overeenkomen met de twee principes – een fenomeen dat bekend staat als kwantumnon-potentialisme.

Kwantumdelokalisatie is bevestigd in veel experimenten, de zogenaamde Bell-tests, op atomen, ionen en elektronen. Het heeft niet alleen diepgaande filosofische implicaties, maar het ondersteunt ook vele toepassingen zoals kwantumberekening en kwantumsatellietcommunicatie. In al deze experimenten waren de deeltjes echter in rust of bewogen ze met lage snelheden (wetenschappers noemen dit systeem “niet-relativistisch”). Een onopgelost probleem in het veld, dat natuurkundigen blijft verbijsteren, is of delokalisatie wordt gehandhaafd wanneer deeltjes zeer snel bewegen, dicht bij de lichtsnelheid (d.w.z. in relativistische volgorde), of wanneer ze niet bewegen, zelfs niet op een punt. Goed gedefinieerd snelheid.

Voor twee kwantumdeeltjes in de Bell-test die zich met hoge snelheden voortbewegen, verwachten de onderzoekers dat in principe de binding tussen de deeltjes afneemt. Als Alice en Bob hun metingen echter aanpassen op een manier die afhangt van de deeltjessnelheid, blijven de correlaties tussen de resultaten van hun metingen niet-lokaal. Stel je nu voor dat de deeltjes niet alleen heel snel bewegen, maar dat hun snelheid ook onbepaald is: elk deeltje beweegt tegelijkertijd in een zogenaamde superpositie van verschillende snelheden, net zoals de beruchte kat van Schrödinger dood en levend is op hetzelfde moment. Is hun beschrijving van de wereld in zo’n geval nog steeds niet lokaal?

De onderzoekers, onder leiding van Aslav Brukner van de Universiteit van Wenen en de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen, hebben aangetoond dat Alice en Bob inderdaad een experiment kunnen ontwerpen dat aantoont dat de wereld niet lokaal is. Hiervoor gebruikten ze een van de basisprincipes van de natuurkunde, namelijk dat fysieke verschijnselen niet afhankelijk zijn van het referentiekader van waaruit we ze waarnemen. Volgens dit principe zal elke waarnemer, of hij nu beweegt of niet, bijvoorbeeld zien dat een appel die van een boom valt, de grond zal raken. De onderzoekers gingen zelfs nog verder en breidden dit principe uit tot referentiekaders die “geassocieerd” zijn met kwantumdeeltjes. Dit worden “kwantumreferentiekaders” genoemd. Het belangrijkste idee is dat als Alice en Bob konden bewegen met hun kwantumreferentiekader samen met hun respectieve deeltjes, ze de gebruikelijke Bell-test zouden kunnen doen, omdat voor hen de deeltjes in rust zouden zijn. Op deze manier kunnen ze de kwantum niet-lokalisatie van elk kwantumdeeltje bewijzen, ongeacht of de snelheid onbepaald is of dicht bij de lichtsnelheid.

“Ons resultaat bewijst dat het mogelijk is om het Bell-experiment te ontwerpen voor deeltjes die met zeer hoge snelheden in kwantumsuperpositie bewegen”, zegt een van de auteurs van het onderzoek, Flaminia Giacomeni. Co-auteur, Lucas Streiter, concludeert: “We hebben aangetoond dat niet-zijn een universele eigenschap van onze wereld is.” Hun ontdekking zal naar verwachting toepassingen in kwantumtechnologieën openen, zoals kwantumsatellietcommunicatie en kwantumberekening, met behulp van relativistische deeltjes.

###

Geplaatst in fysieke beoordelingsberichten: L.F. Streiter, F. Giacomini, ?. Brukner, “Relativistische kloktesten binnen kwantitatieve referentiekaders”, phys. Rev. Lett., 2021 DOI: 10.1103/ PhysRevLett.126.230403