In de jaren twintig was de kwantummechanica, de theorie die ten grondslag ligt aan alles, van het gedrag van atomen tot de werking van kwantumcomputers, op weg om wijdverbreide acceptatie te krijgen. Maar één mysterie bleef: soms gedragen kwantumobjecten, zoals elektronen, atomen en moleculen, zich als deeltjes, andere als golven. Soms gedragen ze zich zelfs als deeltjes en golven tegelijk. Daarom was het bij het bestuderen van deze kwantumobjecten nooit duidelijk welke benadering wetenschappers bij hun berekeningen moesten gebruiken.
Soms moesten wetenschappers aannemen dat kwantumobjecten golven waren om het juiste resultaat te krijgen. In andere gevallen moesten ze aannemen dat de objecten eigenlijk deeltjes waren. Soms werkte beide benaderingen. Maar in andere gevallen leverde slechts één benadering het juiste resultaat op, terwijl de andere een nepresultaat opleverde. De geschiedenis van dit probleem gaat ver terug, maar recente experimenten hebben nieuw licht geworpen op deze oude kwestie.
Kwantumgeschiedenis
In het gelijknamige dubbelspletenexperiment, voor het eerst uitgevoerd door Thomas Young in 1801, gedroeg licht zich als golven. In dit experiment wordt een laserstraal op een dubbele spleet gericht en wordt het resulterende patroon bekeken. Als licht uit deeltjes zou bestaan, zou je twee spleetvormige lichtblokken verwachten. In plaats daarvan is het resultaat veel kleine lichtblokken die in een karakteristiek patroon zijn gerangschikt. Het plaatsen van een dubbele spleet in de waterstroom zou resulteren in hetzelfde patroon net eronder. Dit experiment leidde dus tot de conclusie dat licht een golf is.
Toen, in 1881, deed Heinrich Hertz een grappige ontdekking. Toen hij twee elektroden nam en er een voldoende hoge spanning tussen aanbracht, verschenen er vonken. Dit is normaal. Maar toen Hertz licht op deze elektroden scheen, veranderde de vonkspanning. Dit werd verklaard door het feit dat het licht elektronen uit het elektrodemateriaal sloeg. Maar vreemd genoeg veranderde de maximale snelheid van de uitgestoten elektronen niet als de intensiteit van het licht veranderde, maar veranderde met de frequentie van het licht. Dit resultaat zou onmogelijk zijn als de golftheorie waar zou zijn. In 1905 had Albert Einstein een oplossing: licht was eigenlijk een deeltje. Dit alles was onbevredigend. Wetenschappers geven de voorkeur aan één theorie die altijd waar is boven twee theorieën die soms waar zijn. En als een theorie maar af en toe waar is, dan zouden we in ieder geval willen kunnen zeggen onder welke voorwaarden ze waar is.
Maar dit was precies het probleem met deze ontdekking. Natuurkundigen wisten niet wanneer ze licht of een ander object als een golf en wanneer als een deeltje moesten beschouwen. Ze wisten dat sommige dingen golfachtig gedrag veroorzaken, zoals de randen van spleten. Maar ze hadden geen duidelijke verklaring waarom dit zo is of wanneer ze een theorie moesten gebruiken.
Dit raadsel heet corpusculaire-golf dualisme, is nog bewaard gebleven. Maar een nieuwe studie kan enig licht op de situatie werpen. Wetenschappers van het Korea Institute of Basic Sciences hebben aangetoond dat de eigenschappen van de lichtbron van invloed zijn op hoeveel het een deeltje is en hoeveel het een golf is. Met een nieuwe benadering om dit probleem te bestuderen, hebben ze een pad geplaveid dat zelfs kan leiden tot verbeteringen in kwantumcomputing. Of zulke hoop.
Ook interessant: De kwantumprocessors van Google hebben tijdkristallen nodig die verder gaan dan de theorie
Hoe maak je deeltjes en golven
In het experiment gebruikten de wetenschappers een semi-reflecterende spiegel om de laserstraal in twee delen te splitsen. Elk van deze stralen raakt het kristal, dat op zijn beurt twee fotonen produceert. Er worden in totaal vier fotonen uitgezonden, twee van elk kristal.
De wetenschappers stuurden één foton van elk kristal de interferometer in. Dit apparaat combineert twee lichtbronnen en creëert een interferentiepatroon. Dit patroon werd voor het eerst ontdekt door Thomas Young in zijn eerder genoemde tweespletenexperiment. Dit is ook wat je ziet als je twee stenen in een vijver gooit: rimpelingen van water, waarvan sommige elkaar versterken en andere elkaar neutraliseren. Met andere woorden, de interferometer detecteert het golfkarakter van licht.
De paden van de andere twee fotonen werden gebruikt om hun corpusculaire kenmerken te bepalen. Hoewel de auteurs van het artikel niet hebben gespecificeerd hoe ze dit hebben gedaan, wordt dit meestal gedaan door een foton door een materiaal te laten gaan dat laat zien waar het foton naartoe is gegaan. Je kunt bijvoorbeeld een foton door een gas schieten, dat dan zal ontbranden waar het foton passeerde. Door te focussen op het traject in plaats van op de eindbestemming, kan het foton een golf zijn. Dit komt omdat als je op elk moment de exacte locatie van het foton meet, het puntvormig is en zichzelf niet kan raken.
Dit is een van de vele voorbeelden in de kwantumfysica waarbij een meting de uitkomst van de meting actief beïnvloedt. Daarom was in dit deel van het experiment het interferentiepatroon aan het einde van het fotontraject afwezig. Zo ontdekten de onderzoekers hoe een foton een deeltje kan zijn. De uitdaging was nu om te kwantificeren hoeveel hiervan een deeltje was en hoeveel er nog over was van het golfkarakter.
Omdat beide fotonen van hetzelfde kristal samen worden geproduceerd, vormen ze een enkele kwantumtoestand. Dit betekent dat het mogelijk is om een wiskundige formule te vinden die deze beide fotonen tegelijkertijd beschrijft. Dientengevolge, als onderzoekers kunnen kwantificeren hoe sterk de "partialiteit" en "golflengte" van twee fotonen zijn, kan die kwantificering worden toegepast op de hele bundel die het kristal bereikt.
Inderdaad, de onderzoekers zijn erin geslaagd. Ze maten hoe golvend het foton was door de zichtbaarheid van het interferentiepatroon te controleren. Toen de zichtbaarheid hoog was, was het foton erg golfachtig. Toen het patroon nauwelijks zichtbaar was, concludeerden ze dat het foton heel erg op een deeltje moet lijken.
En deze zichtbaarheid was toevallig. Het was het hoogst wanneer beide kristallen dezelfde intensiteit van de laserstraal ontvingen. Als de straal van het ene kristal echter veel intenser was dan het andere, werd de zichtbaarheid van het patroon erg zwak, en de fotonen leken eerder op deeltjes.
Dit resultaat is verrassend omdat in de meeste experimenten licht alleen wordt gemeten in de vorm van golven of deeltjes. Vandaag werden in verschillende experimenten beide parameters gelijktijdig gemeten. Hierdoor is eenvoudig te bepalen hoeveel van elke eigenschap een lichtbron heeft.
Ook interessant: QuTech lanceert een browser voor het kwantuminternet
Theoretisch natuurkundigen zijn opgetogen
Dit resultaat komt overeen met de voorspelling die eerder door theoretici is gedaan. Volgens hun theorie hangt hoe golfachtig en corpusculair een kwantumobject is af van de zuiverheid van de bron. Zuiverheid is in deze context slechts een mooie manier om de waarschijnlijkheid uit te drukken dat een bepaalde kristallijne bron degene is die het licht uitstraalt. De formule is als volgt: V2 + P2 = µ2, waarbij V de zichtbaarheid van het richtingspatroon is, P de zichtbaarheid van het pad is en µ de zuiverheid van de bron is.
Dit betekent dat een kwantumobject zoals licht tot op zekere hoogte golfachtig en tot op zekere hoogte deeltjesachtig kan zijn, maar dit wordt beperkt door de zuiverheid van de bron. Een kwantumobject is golfachtig als er een interferentiepatroon zichtbaar is of als de waarde van V niet gelijk is aan nul. Het is ook deeltjesachtig als het pad waarneembaar is of als P niet nul is.
Een ander gevolg van deze voorspelling is dat zuiverheid is dat als de verstrengeling van het kwantumpad hoog is, de zuiverheid laag is en vice versa. De wetenschappers die het experiment uitvoerden, toonden dit wiskundig in hun werk. Door de zuiverheid van de kristallen af te stemmen en de resultaten te meten, konden ze aantonen dat deze theoretische voorspellingen inderdaad klopten.
Ook interessant: NASA zal kwantumcomputers lanceren om "bergen" aan gegevens te verwerken en op te slaan
Snellere kwantumcomputers?
Het verband tussen de verstrengeling van een kwantumobject en zijn corpusculariteit en golving is bijzonder interessant. De kwantumapparaten die het kwantuminternet van stroom kunnen voorzien, zijn gebaseerd op verstrengeling. Het kwantuminternet is een kwantumanalogie van wat het internet is voor klassieke computers. Door veel kwantumcomputers met elkaar te verbinden en data te laten delen, hopen wetenschappers meer vermogen te krijgen dan met een enkele kwantumcomputer zou kunnen.
Maar in plaats van bits door een optische vezel te sturen, wat we doen om het klassieke internet van stroom te voorzien, moeten we qubits verstrengelen om het kwantuminternet te vormen. Door de verstrengeling van een deeltje en de golving van een foton te kunnen meten, kunnen we eenvoudiger manieren vinden om de kwaliteit van het kwantuminternet te controleren.
Bovendien kunnen kwantumcomputers zelf beter worden door gebruik te maken van deeltjesgolf-dualisme. Volgens het voorstel van onderzoekers van de Chinese Tsinghua University is het mogelijk om een kleine kwantumcomputer door een rooster met meerdere spleten te laten lopen om het vermogen te vergroten. Een kleine kwantumcomputer zou bestaan uit een paar atomen die zelf als qubits worden gebruikt, en dergelijke apparaten bestaan al.
Deze atomen door een rooster met meerdere spleten laten gaan, lijkt erg op het doorlaten van licht door een dubbele spleet, hoewel het natuurlijk iets gecompliceerder is. Dit zal meer mogelijke kwantumtoestanden creëren, wat op zijn beurt de kracht van de "ontslagen" computer zal vergroten. De wiskunde hierachter is te ingewikkeld om in dit artikel uit te leggen, maar het belangrijke resultaat is dat zo'n twee-kwantumcomputer beter parallel kan rekenen dan conventionele kwantumcomputers. Parallel computergebruik is ook gebruikelijk in klassiek computergebruik en verwijst in feite naar het vermogen van een computer om meerdere berekeningen tegelijkertijd uit te voeren, waardoor deze in het algemeen sneller wordt.
Dus hoewel dit zeer basaal onderzoek is, liggen mogelijke toepassingen al in het verschiet. Op dit moment is het onmogelijk om te bewijzen, maar deze ontdekkingen zouden kwantumcomputers kunnen versnellen en de opkomst van het kwantuminternet enigszins kunnen versnellen.
Ook interessant: China heeft een kwantumcomputer gemaakt die een miljoen keer krachtiger is dan die van Google
Heel fundamenteel, maar heel interessant
Dit alles moet met grote scepsis worden opgevat. Het onderzoek is solide, maar ook erg basaal. Zoals gewoonlijk het geval is in wetenschap en technologie, is er een lange weg van fundamenteel onderzoek naar toepassingen in de echte wereld.
Maar onderzoekers uit Korea ontdekten iets heel interessants: het mysterie van het dualisme van deeltjesgolven zal niet snel verdwijnen. Integendeel, het lijkt zo diep geworteld in alle kwantumobjecten dat het beter is om het te gebruiken. Met de nieuwe kwantitatieve basis die betrekking heeft op de zuiverheid van de bron, zal dit gemakkelijker te doen zijn.
Een van de eerste use-cases kan zich voordoen in quantum computing. Zoals wetenschappers hebben aangetoond, zijn kwantumverstrengeling en dualisme tussen deeltjesgolven verwant. Zo kon in plaats van verstrengeling de hoeveelheid golving en corpusculariteit worden gemeten. Dit kan wetenschappers helpen die werken aan het creëren van een kwantuminternet. Of u kunt gebruiken dualiteit om kwantumcomputers te verbeteren en sneller te maken. Hoe dan ook, het lijkt erop dat spannende kwantumtijden net om de hoek liggen.
Lees ook:
Bedankt voor het artikel! "Mogelijke programma's zijn al aan de horizon" - misschien bedoelde u geen programma's, maar toepassingen?
Bedankt, erg interessant. Meer van dergelijke artikelen.
Bedankt! We zullen het proberen ;)