UvA-natuurkundigen ontdekken puzzelstukjes voor quantumprobleem
Kleine deeltjes zoals atomen en elektronen kunnen op twee plaatsen tegelijk zijn, iets wat voor mensen onmogelijk is. Hoe is dit verschil te verklaren? Het is een vraagstuk waar wis- en natuurkundigen al sinds het begin van de vorige eeuw hun hoofd over breken. UvA-natuurkundigen ontdekten twee puzzelstukjes die bijdragen aan een oplossing voor dit probleem.
Deze zomer won Lotte Mertens de scriptieprijs van de UvA. Nu, in het eerste jaar van haar promotieonderzoek is ze de hoofdauteur van een nieuwe publicatie die verscheen in het tijdschrift Physical Review A, als ‘Editor’s Suggestion’. Hoe snel is dat? Mertens: ‘Een publicatie in je eerste jaar van je promotieonderzoek is wel redelijk snel. Maar het onderzoek in deze publicatie borduurt voort op het onderzoek uit mijn scriptie.’
Mertens’ scriptie ging over het quantummeetprobleem. Natuurkundige en mede-auteur Jasper van Wezel legt uit: ‘De stoel waarop je dit artikel zit te lezen, wordt beschreven door de klassieke mechanica. Als je naar de atomen gaat kijken waar die stoel uit bestaat, dan worden die juist beschreven door de quantummechanica. Als je de quantummechanische beschrijving van al die kleine deeltjes vervolgens bij elkaar optelt krijg je alleen niet de klassieke beschrijving van je stoel terug. Dat is een probleem en dat willen we begrijpen.’
Kat in een doos
Dit heeft alles te maken met de mysterieuze kant van quantummechanica, deeltjes kunnen namelijk op twee plaatsen tegelijk zijn. Een beroemd voorbeeld van zo’n ‘superpositie’ komt voor in het gedachte-experiment van Schrödinger’s kat. De kat zit in een doos en volgens de quantummechanische beschrijving van de kat zou hij tegelijkertijd dood en levend moeten zijn. Maar wanneer men de doos opent, wordt duidelijk dat de kat geen quantummechanisch deeltje is, en volgens de klassieke beschrijving moet ze dus ofwel dood of levend zijn. Het bekijken, ofwel meten, van quantummechanische deeltjes ‘dwingt’ ze om een positie te kiezen.
Het grijze gebied tussen de quantummechanica van de hele kleine deeltjes en de klassieke mechanica van stoelen en katten proberen Van Wezel en Mertens te beschrijven in een model. Dat model moet zowel aan de Schrödingervergelijking voor kleine deeltjes als aan de Born-regelDe born-regel gaat over de kans om een quantumdeeltje te vinden in een bepaalde toestand. voor quantummetingen voldoen om te kunnen kloppen.
De onderzoekers ontdekten dat er twee puzzelstukjes zijn die sowieso in het model moeten zitten, anders zal het model nooit aan beide regels kunnen voldoen. De puzzelstukjes bestaan uit complexe wiskunde en bepalen dat het model niet-lineair en niet-unitair mag zijn. Mertens: ‘In de wiskunde is het vrij bijzonder als je daar zo algemeen uitsluitsel over kan geven.’
Bekogelen met lichtdeeltjes
Uiteindelijk zou deze ontdekking kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van de quantumcomputer, maar zeker niet direct. Van Wezel: ‘Het is in eerste instantie een fundamenteel probleem. De vernieuwde interesse in het onderwerp komt doordat we onze theorieën kunnen testen met experimenten aan de Universiteit Leiden.’
Samen met Leidse wetenschappers werkt Van Wezel aan het uitvoeren van quantumexperimenten. Daarbij wordt een klein, quantummechanisch object steeds weer opnieuw in superpositie gebracht door het met lichtdeeltjes te bekogelen. Van Wezel: ‘Door het object bij elk experiment steeds wat groter te maken, kunnen we opzoek gaan naar de grens waar het object niet meer reageert als een quantumdeeltje, maar als een voorwerp uit onze alledaagse, klassieke wereld.’
Om het grijze gebied uiteindelijk volledig te kunnen verklaren, zijn nog veel meer puzzelstukjes nodig. Daar doen Van Wezel en Mertens verder onderzoek naar. Mertens werkt daarnaast ook nog aan twee andere onderzoekslijnen, zoals het gedrag van zwarte gaten in gecondenseerde materiesystemen. Mertens: ‘Ik vind het leuk om aan meerdere onderzoeken tegelijkertijd te werken.’
