De proefopzet met links de resonator met daarin opgesloten een rubidiumatoom dat zich verstrengeld met een lichtpuls (afb: MPI)

Iedereen die weet heeft van het bestaan van de kwantummechanica kent vast ook wel het verhaal van de doodlevende kat van Schrödinger dat moet duidelijk maken (nou ja, duidelijk; as) wat superpositie is, het zich tegelijkertijd bevinden in twee toestanden. Ik heb altijd gedacht dat dat verhaal ook vertelt dat het meten aan een superpositiesysteem die superpositie ook meteen verstoord (maar zoals al vaker hier gezegd en getoond: ik ben een leek op alle gebied). Dat zou dan betekenen dat je dat gedachtenexperiment van Schödinger nooit zou kunnen uitvoeren, maar nu lees ik dat onderzoekers van het Max Planck-instituut voor kwantumoptica het (dat) toch geflikt hebben.
Volgens de Wikipedia beoogde Erwin Schrödinger met zijn kattenverhaal in 1935 de onzin aan te tonen van mensen die aan het bestaan van deeltjes twijfelden zolang die niet werden waargenomen, maar ik ga er nog maar even van uit dat het is bedoeld om de onzekere aard van die theorie mee te demonstreren: de kat is zowel dood als levend. Sinds die tijd zijn er veel natuurkundigen geweest die Schrödingers gedachtenproef ook daadwerkelijk hebben willen uitvoeren.

Een groep onderzoekers rond Gerhard Rempe schijnt nu een optische versie van Schrödingers kat in het lab te hebben verwezenlijkt. De kat bestond uit een laserpulsje. Dat schijnt niet alleen een dolletje te zijn, maar ook serieuze wetenschap die kan worden gebruikt voor de kwantumcommunicatie in een toekomstig kwantum(computer)netwerk.
“Volgens Schrödinger is het voor een microscopisch deeltje mogelijk tegelijkertijd in twee verschillende toestanden te verkeren”, zegt Rempe. “Dat heet superpositie. Bovendien kan zo’n deeltje verstrengeld raken met een macroscopisch object, waardoor dat macroscopische object ook in superpositie terechtkomt. Schrödinger stelde die kat voor, die zowel dood als levend kan zijn, afhankelijk van het radioactieve verval van een atoom. Dat idee tart ons besef van de werkelijkheid.”

Wang en Duan

Om de proef uit te voeren bekeken de onderzoekers verschillende modelsystemen. Uiteindelijk kwamen ze uit bij een idee dat in 2005 is voorgesteld door de theoretisch fysici Wang en Duan, waarbij de superpositie van een lichtpuls de rol ‘speelt’ van de kat. Daarbij gebruikten ze een optische resonator (‘klankholte’), die Rempe en de zijnen de afgelopen twee jaar hebben ontwikkeld.
Aanvankelijk waren de onderzoekers skeptisch of ze ook daadwerkelijk de ‘kattoestanden’ konden opwekken en ook nog betrouwbaar konden waarnemen met de beschikbare technologie. De grootste moeilijkheid was het lichtverlies zo veel mogelijk te beperken.
Toen ze dat eenmaal voor elkaar hadden bleek hun experiment de voorspelling (?) te bevestigen, zo lees ik in het persbericht. Dit experiment zou het mogelijk maken de duistere krochten van de kwantummechanica verder te onderzoeken om die kennis om te zetten in toepassingen in de kwantumtechniek.
Het instituut in Garching schijnt van alle gemakken voorzien te zijn om de kwantumoptica te kunnen ‘bedrijven’. Zo is er een vacuümkamer waar lasers worden gebruikt om de toestand van afzonderlijke atomen te manipuleren. Hart van de proef was een optische resonator (‘klankholte’) die bestaat uit twee spiegels die gescheiden worden door een spleet van 0,5 mm waar een atoom kan worden vastgehouden. Een laserpuls in de resonator wordt daar heen en weer gekaatst en wisselwerkt met dat atoom (dat macroscopische deeltje van Rempe, denk ik; as). Daardoor raken puls en atoom verstrengeld. Door dat atoom te manipuleren komt die verstrengelde puls in een superpositie, net als Schrödingers kat. Dat kan, zo begrijp ik, naar believen gedaan worden.

“We hebben vliegende optische kattoestanden weten te bereiken”, zegt medeonderzoeker Stephan Welte. “We hebben gedemonstreerd dat die zich gedragen in overeenstemming met de voorspellingen uit de kwantummechanica. Dat bewijst dat onze methode om kattoestanden te genereren werkt en dat maakt ons mogelijk de wezenlijke parameters te onderzoeken.”
Rempe: “Schrödingers kat zat in een metalen koffer om de wisselwerking met de omgeving uit te sluiten. Onze optische kattoestanden zaten niet opgesloten. Ze bewogen zich vrij in de ruimte. Toch bleven ze geïsoleerd en behielden hun eigenschappen over lange afstanden. In de toekomst kunnen we deze technologie gebruiken om kwantumnetwerken te bouwen, waarbij vliegende optische kattoestanden informatie overdragen.”

Bron: Alpha Galileo