De snelheid van kwantumverstrengeling wordt voor het eerst gemeten

In de wereld van de kwantumfysica ontvouwen gebeurtenissen zich met verbazingwekkende snelheid. Processen waarvan voorheen werd gedacht dat ze in een ogenblik plaatsvonden, zoals kwantumverstrengeling, worden nu onderzocht in de kleinste fracties van een seconde.

Het is alsof je een vluchtig moment bevriest om kleine details te onthullen die in het volle zicht verborgen zijn.

In samenwerking met een team van onderzoekers uit China, professor Joachim Burgdorfer en collega’s uit Instituut voor Theoretische Fysica Bij TU Wien meten we deze vluchtige momenten om te begrijpen hoe kwantumverstrengeling feitelijk plaatsvindt.

Deze wetenschappers zijn niet gefocust op het bestaan ​​van kwantumverstrengeling, maar willen graag ontdekken hoe deze begint: hoe raken twee deeltjes precies kwantumverstrengeld?

Kwantumverstrengeling begrijpen

Met behulp van geavanceerde computersimulaties konden ze een glimp opvangen van processen die plaatsvinden op tijdschalen van attoseconden – miljardsten van een miljardste van een seconde.

Kwantumverstrengeling is een vreemd en wonderbaarlijk fenomeen waarbij twee deeltjes zo met elkaar verbonden raken dat ze één toestand delen.

Het is alsof je twee magische munten hebt die altijd aan dezelfde kant liggen: draai de ene om en de andere laat op mysterieuze wijze hetzelfde resultaat zien, zelfs als ze kilometers uit elkaar liggen.

“Je kunt zeggen dat deeltjes geen individuele eigenschappen hebben, maar alleen gedeelde eigenschappen. Vanuit wiskundig oogpunt horen ze sterk bij elkaar, ook al bevinden ze zich op totaal verschillende plaatsen”, legt professor Burgdorfer uit.

Dit betekent dat de meting van het ene deeltje onmiddellijk de toestand van het andere deeltje beïnvloedt, ongeacht de afstand ertussen.

Simpel gezegd: verstrengelde deeltjes delen een verbinding waardoor ze onmiddellijk met elkaar kunnen ‘praten’. Meet een enkel deeltje en je weet meteen iets over zijn partner.

Dit vreemde gedrag daagt ons alledaagse begrip van hoe de wereld werkt uit, waardoor verstrengeling een van de meest verbijsterende concepten in de kwantumfysica is.

Laser- en elektronenexperimenten

Hoewel het concept van kwantumverstrengeling onbegrijpelijk lijkt, is het niet langer een onderwerp van discussie of het waar is of niet, en daar gaat deze studie niet over.

“Wij zijn daarentegen in iets anders geïnteresseerd, namelijk ontdekken hoe deze verstrengeling überhaupt is ontstaan, en welke fysieke effecten op zeer korte tijdschalen een rol spelen”, zegt professor Eva Brezinova, een van de onderzoekers. auteurs van het onderzoek. Huidig ​​bericht.

Om dit te onderzoeken keek het team naar atomen die werden getroffen door een intense, hoogfrequente laserpuls. Stel je voor dat je met een superkrachtige zaklamp op een atoom schijnt.

Eén van de elektronen raakt zo opgewonden dat hij loskomt en wegvliegt. Als de laser krachtig genoeg is, ondergaat een ander elektron in het atoom ook een schok, waardoor het naar een hoger energieniveau gaat en zijn baan rond de kern verandert.

Dus na deze intense lichtflits breekt het ene elektron vanzelf af, waardoor een ander elektron achterblijft, maar niet helemaal hetzelfde als voorheen.

“We kunnen aantonen dat deze twee elektronen nu kwantumverstrengeld zijn”, zegt professor Burgdorfer. “Je kunt ze alleen samen analyseren, en je kunt een meting doen aan het ene elektron en tegelijkertijd iets weten over het andere elektron.”

Als de tijd wazig wordt

Dit is waar het echt interessant wordt. Een wegvliegend elektron heeft geen specifiek moment waarop het het atoom verlaat.

“Dit betekent dat het geboortetijdstip van het wegvliegende elektron in principe onbekend is. “Je zou kunnen zeggen dat het elektron zelf niet weet wanneer het het atoom heeft verlaten”, merkt professor Burgdorfer op.

Het bevindt zich in wat kwantumsuperpositie wordt genoemd, wat betekent dat het in meerdere toestanden tegelijk bestaat.

Maar er is meer. Het tijdstip waarop een elektron vertrekt, hangt samen met de energietoestand van het elektron dat achterblijft.

Als het resterende elektron een hogere energie heeft, is het waarschijnlijk dat het vertrekkende elektron eerder is vertrokken. Als het zich in een lagere energietoestand zou bevinden, zou het elektron waarschijnlijk later vertrekken – gemiddeld na ongeveer 232 attoseconden.

Meten wat niet gemeten kan worden

Een totoseconde is zo kort dat de meeste mensen het niet kunnen begrijpen. Deze kleine verschillen zijn echter niet alleen theoretisch.

“Deze verschillen kunnen niet alleen worden berekend, maar ook worden gemeten door middel van experimenten”, zegt professor Burgdorfer.

Het team bedacht een meetprotocol dat twee verschillende laserstralen combineert om deze ongrijpbare timing vast te leggen.

Ze werken al samen met andere onderzoekers die deze ultrasnelle verstrengelingen in het laboratorium willen testen en monitoren.

Waarom is kwantumverstrengeling belangrijk?

Begrijpen hoe verstrengelingsvormen grote gevolgen kunnen hebben voor kwantumtechnologieën zoals cryptografie en computergebruik.

In plaats van alleen maar te proberen de verstrengeling in stand te houden, kunnen wetenschappers nu het begin ervan bestuderen. Dit kan leiden tot nieuwe manieren om kwantumsystemen te controleren en de veiligheid van kwantumcommunicatie te verbeteren.

De reis stopt hier niet. Professor Burgdorfer en zijn team zijn enthousiast over de volgende stappen.

“We zijn al in gesprek met onderzoeksteams die zulke ultrasnelle verstrengelingen willen bewijzen.”

Door op deze zeer korte tijdschalen te onderzoeken, observeren ze niet alleen kwantumeffecten, maar herdefiniëren ze ook de manier waarop we de structuur van de werkelijkheid begrijpen.

Kwantumverstrengeling en de toekomst

Het is duidelijk dat in de kwantumwereld zelfs de kortste momenten een schat aan informatie bevatten.

“Het elektron springt niet zomaar uit het atoom. Het is als het ware een golf die van het atoom afkomt, en dat kost een bepaalde hoeveelheid tijd”, legt Eva Brezhenova uit.

‘Juist tijdens deze fase vindt verstrengeling plaats’, besluit ze, ‘en het effect ervan kan later nauwkeurig worden gemeten door de twee elektronen te monitoren.’

Dus onthoud de volgende keer dat u met uw ogen knippert, dat in minder dan een biljoenste van die tijd hele kwantumgebeurtenissen zich ontvouwen, waardoor geheimen worden onthuld die de toekomst van de technologie en ons begrip van het universum kunnen veranderen.

Het volledige onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven.

—–

Vind je het leuk wat ik lees? Abonneer u op onze nieuwsbrief en ontvang boeiende artikelen, exclusieve inhoud en de laatste updates.

Bezoek ons ​​op EarthSnap, een gratis app aangeboden door Eric Ralls en Earth.com.

—–