Kat van Schr÷dinger baart gevoeligste interferometer ooit - Margriet van der Heijden

Een paar jaar geleden werd het niet voor mogelijk gehouden, maar nu is het gelukt. Met quantumgegoochel zijn Australische natuurkundigen erin geslaagd de gevoeligste interferometer ooit te bouwen. Sterker: een interferometer maken die gevoeliger en nauwkeuriger is dan deze, is niet alleen praktisch, maar ook theoretisch onmogelijk. Bravo! zo eindigt het commentaar van de Amerikaanse theoretisch fysicus Jonathan Dowing op het huzarenstukje (Nature, 15 november).

Een interferometer splitst een lichtbundel, stuurt het licht langs twee paden van verschillende lengte, en voegt het dan weer samen. Lopen de lichtgolven bij samenkomst precies met elkaar in de pas (in fase), dan versterken ze elkaar. Zijn ze, vanwege het onderlinge weglengteverschil, volledig uit de pas gaan lopen (uit fase), dan doven ze elkaar uit. En lopen ze een beetje uit de pas (een faseverschil) dan ontstaan specifieke patronen van versterking en uitdoving.

Door analyse van dat patroon meet de interferometer het faseverschil tussen de twee lichtbundels. Maar omdat de lichtsnelheid nauwkeurig bekend is, kan ook heel precies het verschil in weglengte worden afgeleid. Een interferometer is dus een supergevoelig afstandsmeetinstrument.

De grens aan die gevoeligheid, zo bleek in 1981, volgt uit een van fundamentele principes uit de quantummechanica: de Heisenberg-onzekerheidsrelatie. Die relatie geeft een limiet aan de nauwkeurigheid waarmee paren van grootheden gemeten kunnen worden. En ook voor de interferometer blijkt zon paar te bestaan: de fase en de intensiteit van het licht.

In theorie betekent het: hoe meer lichtdeeltjes (licht kan als golf en als deeltje worden gezien), hoe nauwkeuriger het faseverschil, en dus het weglengteverschil, vastgesteld kan worden.

Maar dan de praktijk: om de limiet daadwerkelijk te bereiken, moeten de lichtdeeltjes getemd worden met quantummechanische trucs die tot voor kort buiten ieders bereik leken te liggen. Ze moeten in een toestand worden gebracht die te vergelijken is met de toestand van de beroemde kat van Schr÷dinger. Met de kat dus die levend en dood tegelijk is, zolang er tenminste niemand is die poolshoogte neemt.

In de interferometer bestaat de kat uit heel veel fotonen die allemaal de ene weg kiezen, zeg linksom gaan, en die tegelijk ook allemaal de andere weg volgen. Ten minste, zolang niemand naar ze kijkt. Maar zon kat maken, bleek onhaalbaar.

Tot het Australische team van Geoffrey Pryde een uitweg vond, ontleend aan technieken uit de wereld van quantumcomputers. Zij bouwden geen grote kat, maar stuurden telkens ÚÚn enkel lichtdeeltje door de interferometer. Een kitten van Schr÷dinger, zou je kunnen zeggen: een katje dat twee wegen tegelijk volgt.

Door het gedrag van een heel nest van die kittens te koppelen, alweer met technieken uit de wereld van quantumcomputers, oogsten de AustraliŰrs uiteindelijk hetzelfde effect als met ÚÚn hypothetische, en uit heel veel lichtdeeltjes bestaande kat. Het maximale aantal kittens (en daarmee dus de grootste kat tot dusver) bedroeg, zo schrijven zij, 378 lichtdeeltjes.

Daarmee is deze kat nog te klein om aan praktische toepassingen te denken. Maar op termijn zal dit vreemde beest zijn nut wel hebben, zo is de verwachting.

In de metrologie natuurlijk, om met interferometers nog nauwkeuriger afstanden te bepalen. Maar ook in proeven waarin supergevoelige interferometers zwaartekrachtsgolven moeten opsporen.

Margriet van der Heijden

Foto-onderschrift:

De kat van Schrdinger is levend en dood tegelijk, zolang er niemand poolshoogte neemt. En dat geldt ook voor haar jongen.