Natuurkundigen hebben eerdere records verbroken door met succes een collectief van 7.000 natriumatomen in een kwantumtoestand te plaatsen die lijkt op de kat van Schrödinger, waardoor de contra-intuïtieve realiteit van de kwantummechanica dichter bij de dagelijkse observatie komt. Het experiment, dat op 21 januari in Nature werd beschreven, toont aan dat het bizarre gedrag dat ooit beperkt bleef tot subatomaire deeltjes nu kan worden waargenomen in steeds grotere, maar nog steeds microscopische, systemen.
Kwantumsuperpositie: voorbij het subatomaire
In de kern draait de doorbraak om kwantumsuperpositie – het fenomeen waarbij een deeltje zich in meerdere toestanden tegelijk bevindt totdat het wordt gemeten. Dit concept, beroemd geïllustreerd door Schrödingers gedachte-experiment met een kat in een doos (zowel dood als levend totdat het werd waargenomen), wordt al lang theoretisch begrepen, maar het bewijzen ervan met steeds macroscopische objecten is een aanhoudende uitdaging geweest.
Het team onder leiding van Sebastian Pedalino van de Universiteit van Wenen vuurde een straal natriumnanodeeltjes door een smalle spleet af. In tegenstelling tot klassieke deeltjes die er recht doorheen zouden gaan, vertoonden de nanodeeltjes een interferentiepatroon – een veelbetekenend teken dat ze zich gedroegen als zowel golven als deeltjes, die op meerdere plaatsen tegelijk bestonden. Het resultaat verlegt de grenzen van wat voorheen voor mogelijk werd gehouden en vestigde een nieuw record voor het grootste object dat in deze staat werd waargenomen.
Waarom dit ertoe doet: decoherentie en de kwantum-klassieke kloof
Het belangrijkste obstakel voor het waarnemen van superpositie in grotere systemen is decoherentie. De kwantumwereld is kwetsbaar; zelfs kleine interacties met de omgeving zorgen ervoor dat de superpositie instort, waardoor een deeltje in een enkele, definitieve toestand wordt gedwongen. Grotere objecten interageren gemakkelijker met hun omgeving, waardoor langdurige superpositie uitzonderlijk moeilijk wordt.
Het succes van dit experiment hangt af van het isoleren van de natriumnanodeeltjes om decoherentie te minimaliseren. Het werk van het team is belangrijk omdat het niet alleen bevestigt dat superpositie op grotere schaal bestaat; het biedt een manier om complexere systemen, inclusief potentieel biologische moleculen, in kwantumtoestanden te bestuderen. Dit zou een revolutie teweeg kunnen brengen in vakgebieden als de biochemie en de materiaalkunde, doordat onderzoekers hun fundamentele eigenschappen op geheel nieuwe manieren kunnen onderzoeken.
De lange weg naar inmenging
Pedalino vertelde twee jaar van onduidelijke resultaten voordat hij eindelijk het interferentiepatroon observeerde. “Twee jaar lang keek ik naar vlakke lijnen”, zei hij. De doorbraak kwam onverwacht, waarbij de vlakke lijn op hun detectoren zich verbreedde tot de onmiskenbare signatuur van een kwantumgolf.
Het team kwantificeerde de “macroscopiciteit” van de nanodeeltjes op 15,5, wat aanzienlijk hoger is dan eerdere records. Dit suggereert dat de grens tussen de kwantumwereld en de klassieke wereld niet vastligt, maar verder kan worden verlegd met verbeterde experimentele technieken.
“De kwantummechanica zelf stelt geen grenzen. En dat is wat we testen.” – Sebastian Pedalino, Universiteit van Wenen
Het succes van dit experiment vertegenwoordigt een cruciale stap in de richting van het begrijpen van de fundamentele aard van de werkelijkheid. Door de schaal waarop kwantumfenomenen kunnen worden waargenomen uit te breiden, komen onderzoekers steeds dichter bij het ontrafelen van een van de meest duurzame mysteries van de natuurkunde. Het vermogen om grotere, complexere systemen in superpositie te bestuderen belooft een nieuw tijdperk van wetenschappelijke ontdekkingen.
