Niet voor de poes - Rob van den Berg - 12-04-2003

FYSICUS DIK BOUWMEESTER VERKENT GRENZEN QUANTUMTHEORIE

In de quantumwereld is de kat van Schrödinger dood en levend tegelijk. Kan in de macrowereld zoiets ook? Een ambitieus experiment van Dik Bouwmeester moet uitsluitsel bieden.

Het bekendste dier uit de natuurkunde is de kat van Schrödinger. De Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger voerde het dier in 1935 ten tonele om te illustreren wat er zou gebeuren als de wetten van de quantummechanica hun geldigheid tot in onze wereld behouden. Terwijl atomen zich volgens de quantummechanica op hetzelfde moment in twee verschillende toestanden kunnen bevinden, lijkt zoiets voor een kat onmogelijk: die is óf dood óf levend.

Toch gaat een groep natuurkundigen een poging doen het tegendeel te bewijzen. Onder leiding van de Nederlandse fysicus Dik Bouwmeester werken ze aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara aan een experiment om te testen of een klein spiegeltje zich net zo vreemd zou kunnen gedragen als een atoom. Makkelijk is zo'n experiment niet: er zijn zeer lage temperaturen voor nodig, een ultrahoog vacuüm en uiterst nauwkeurige meetapparatuur. ``Een project van jaren'', erkent Bouwmeester

Pas 35 jaar oud, heeft Bouwmeester zich grote faam verworven op het gebied van de quantumoptica: het onderzoek van quantumeffecten met behulp van licht. Zo slaagde hij er in 1997 als eerste in de fameuze transporter uit de tv-serie Star Trek - `Beam me up, Scotty' - in het laboratorium te verwezenlijken, door de eigenschappen van een foton (lichtdeeltje) op een ander foton over te dragen via teleportatie. Ook onderzocht Bouwmeester hoe nauwkeurig je de quantumeigenschappen van een lichtdeeltje kunt klonen. Maar de poging om via het spiegeltje de kat van Schrödinger tot leven te wekken is pas echt ambitieus.

Centraal in het onderzoek van Bouwmeester staat het begrip verstrengeling, een mysterieuze samenhang tussen twee (of meer) deeltjes. Verstrengelde deeltjes hebben elk afzonderlijk geen vastomlijnde eigenschappen. Maar zodra bij het ene deeltje een eigenschap door een meting wordt bepaald, krijgt het andere deeltje du moment precies de daaraan tegengestelde eigenschap. Of dat andere deeltje vlakbij is of aan de andere kant van het heelal, maakt niet uit. Voor Albert Einstein, die het begrip verstrengeling (met Boris Podolsky en Nathan Rosen) in een gedachtenexperiment introduceerde, waren dergelijke spukhafte Fernwirkungen een vloek. Maar ze bestaan wel degelijk, zoveel is inmiddels duidelijk. Sterker, uit experimenten met verstrengelde deeltjes blijkt ontegenzeglijk dat de quantummechanica de juiste beschrijving van de werkelijkheid biedt.

voorspellingen
Bouwmeester: ``De Ierse fysicus John Bell heeft in 1964 laten zien dat er experimenten mogelijk zijn waarmee je kunt aantonen dat er geen alternatieve, `klassieke' beschrijving van de werkelijkheid is die de mysterieuze samenhang tussen verstrengelde deeltjes verklaart. Je moet daartoe zeer veel metingen doen aan telkens twee verstrengelde deeltjes en nauwkeurig bijhouden hoe vaak elk meetresultaat voorkomt. De quantummechanica en de klassieke theorie doen daar verschillende voorspellingen over.'' Een serie experimenten in het begin van de jaren tachtig uitgevoerd door de Franse fysicus Alain Aspect bracht de bevestiging: de quantummechanica bleek juist.

Maar er is een veel elegantere manier om hetzelfde aan te tonen. Bouwmeester: ``Als je drie deeltjes in een verstrengelde toestand brengt, een zogeheten Greenberger-Horne Zeilingertoestand, dan is een serie metingen denkbaar waarin de quantummechanica een uitkomst voorspelt die de klassieke theorie verbiedt. Via GHZ krijg je veel directer uitsluitsel over de (on)juistheid van de quantumtheorie.''

Het was opnieuw Bouwmeester die samen met Anton Zeilinger van de universiteit van Innsbrück dit experiment als eerste verwezenlijkte (Nature, 3 februari 2000). Al doende ontdekten ze de methode om fotonen te teleporteren, wat veel meer publiciteit genereerde dan het GHZ-experiment.
Datzelfde jaar vertrok Bouwmeester naar Oxford om in het Centre for Quantum Computation een eigen groep op te zetten. Zijn eerste project: een betere methode om verstrengelde fotonen te maken. Gebruikelijk was ultraviolet licht op een speciaal kristal te schieten. Daardoor valt één UV-foton uiteen in twee verstrengelde fotonen, elk met de helft van de oorspronkelijke energie. Dat proces is echter erg inefficiënt. Bouwmeester: ``Bij het GHZ-experiment begonnen we met tien watt aan ultraviolet laserlicht - zo'n 10 tot de macht 20 fotonen per seconde - en namen we uiteindelijk wellicht één gebeurtenis per minuut waar. Nu wordt in een laser de intensiteit van een lichtbundel versterkt door deze met behulp van twee spiegels zeer veel keren door een kristal te laten lopen, waarbij telkens extra fotonen worden opgewekt. Het leek me dat je zo'n zelfde truc ook moest kunnen uithalen met een bundel verstrengelde fotonen.'' Dit vermoeden bleek te kloppen: de eerste stap op weg naar zo'n `verstrengelde-fotonenlaser' verscheen in Nature (30 aug. 2001).

ambitieus project

Oxford betekende het weerzien met Roger Penrose, de theoretisch fysicus die heeft samengewerkt met Stephen Hawking. Bouwmeester: ``Ik wist dat Penrose er nogal afwijkende ideeën over optica op nahoudt. Dat was voor mij reden om na mijn promotie een jaar met hem samen te werken. Onze hernieuwde discussies leidden tot een zeer ambitieus project: het verwezenlijken van Schrödingers kat.''

Twee jaar lang - Bouwmeester was intussen benoemd tot hoogleraar in Santa Barbara - werkten ze samen om alle eisen aan zo'n experiment op een rijtje te krijgen en de consequenties door te rekenen. ``Aanvankelijk wisten we niet of het wel mogelijk zou zijn, maar hoe meer berekeningen we deden, des te meer raakten we overtuigd dat het kon.'' Een beschrijving van het experiment dat ze de komende jaren willen uitvoeren is inmiddels opgestuurd naar de Physical Review Letters.

Uitgangspunt is een interferometer: een verzameling spiegels die lichtbundels in tweeën splitst en weer bijeen brengt. Al naar gelang het pad dat de bundels afleggen voordat ze weer bij elkaar komen, versterken ze elkaar of doven ze elkaar uit: interferentie. Fysici hebben ontdekt dat er zelfs interferentie optreedt als je maar één enkel foton in de interferometer toelaat: alsof dat in zijn eentje beide paden van de interferometer aflegt en met zichzelf interfereert. Net als de kat van Schrödinger bevindt het foton zich in twee toestanden (of op twee plaatsen) tegelijk. In de quantumwereld kijkt niemand daar van op: zulke effecten zijn lang geleden experimenteel aangetoond. Bouwmeester en Penrose gaan echter een stap verder. Zij willen één van de spiegels in de interferometer vervangen door een minuscuul spiegeltje, niet meer dan een honderdste millimeter breed. Dat is zo klein dat het uit balans gebracht wordt als het een heleboel keer achter elkaar geraakt wordt door een foton. Bouwmeester: ``Dat spiegeltje is Schrödingers kat. Omdat we niet weten welk pad het foton genomen heeft, weten we ook niet of het spiegeltje in beweging is gezet of niet.''

vastvriezen

Het eigenlijke experiment is ingewikkelder dan hier geschetst. Bouwmeester: ``Om het spiegeltje in beweging te krijgen moet het foton er een paar honderd keer tegenaan botsen. Bovendien moeten we ervoor waken dat het niet op andere manieren in beweging komt. Een botsing met een luchtmolecuul is voldoende om het experiment te verstoren. Dus vindt het experiment in hoog vacuüm plaats en koelen we de opstelling af tot vlak boven het absolute nulpunt: de atomen vriezen dan als het ware vast en komen zo goed als stil te staan.''

Hoewel Bouwmeester en Penrose het eens zijn over de opzet van het experiment, hebben ze over de te verwachten uitkomst diametraal tegengestelde ideeën. Bouwmeester denkt dat de quantummechanica - hoe vreemd die ook mag zijn - niet alleen opgaat voor atomen: ``Het is zo'n simpele en elegante theorie dat we zullen moeten accepteren dat ze klopt.'' Penrose gelooft dat de quantummechanica zijn geldigheid verliest voor macroscopische objecten.

Onderschrift:

Foto-onderschrift:

In de quantumtheorie kan n plus n nul zijn, of vier. a: Interferometer met bundel-splitsers die het licht voor de helft doorlaten en voor de helft terugkaatsen. b en c: Omzetting van UV-fotonen in verstrengelde infraroodfotonen. ILLUSTRATIE NATURE NRC Handelsblad 120403 / Bron: Nature

Dik Bouwmeester hoopt Schrdingers kat te realiseren via een minuscuul spiegeltje. FOTO GRAMES/BILDERBERG/HH