Schrödingers kat verschijnt als één ion op twee plaatsen tegelijk

Zijn de absurditeiten van de extreem kleine quantumwereld, waar elektronen en atomen zich als golven gedragen en waar onze vertrouwde begrip van welomschreven posities en snelheden niet van toepassing is, ook geldig in de wereld van het alledaagse?

Het was de Oostenrijkse fysicus Erwin Schrödinger die deze vraag in de jaren twintig vertaalde in een beroemd gedachtenexperiment: 'Schrödingers kat'. Hierbij bevindt zich in een afgesloten doos een radioactief preparaat dat een bepaalde kans heeft een stralingsdeeltje uit te zenden. Dat wordt gedetecteerd door een Geiger-Müllerteller die een magneet inschakelt die op zijn beurt een haakje opzij trekt opdat een hamer een flesje blauwzuur kapot kan slaan. Resultaat: de eveneens in de doos aanwezige kat legt het loodje.

Zolang we niet kijken, gaat de redenering, is de radioactieve kern in een samengestelde toestand van 'vervallen' en 'niet-vervallen'. En dus bevindt de kat zich in een superpositie van 'levend' en 'dood'. Pas door de doos te openen dwingt de waarnemer het systeem een van beide toestanden aan te nemen. De 'dubbeltoestand' van de kat zelf kan dus nooit worden geconstateerd.


Sinds Schrödinger zijn paradox van de dode en niet-dode kat formuleerde, hebben theoretisch fysici zich het hoofd gebroken over de vraag of de exotica van de quantumwereld bij schaalvergroting stand kunnen houden dan wel onherroepelijk verloren gaan. De discussie heeft een verrassende wending genomen nu Amerikaanse onderzoekers verbonden aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) er naar hun zeggen in zijn geslaagd een vorm van Schrödingers kat experimenteel te realiseren (Science, 24 mei).

Onderzoekers onder leiding van Chris Monroe en David Wineland leidden één berylliumatoom in een elektromagnetische holte en ioniseerden het, zodat het zat opgesloten. Met een laser werd het gekoeld, tot het ion zo goed als stilstond, waarna het met behulp van twee iets verschillend afgestelde lasers in een superpositie van twee energieniveaus werd gebracht: 'spin omhoog' en 'spin omlaag'. Met een paar andere lasers scheidden de experimentatoren vervolgens beide toestanden met behulp van een resonantietechniek fysiek van elkaar. Het resultaat was één berylliumion op twee plaatsen tegelijk, 80 miljoenste millimeter van elkaar. Dat is aanzienlijk meer dan de afmeting van het ion.

Bestrijders van Schrödingers kat voeren aan dat dit verschil in positie van de twee iontoestanden niet leidt tot aparte eigenschappen (dood en levend) op alledaags macroniveau. De onderzoekers hebben vastgesteld dat bij nog verder fysiek scheiden van de twee atoomtoestanden de levensduur van de superpositie snel afneemt tot nul.

Het onderzoek aan NIST is van belang voor de studie naar het verschijnsel decoherentie, waarbij de superpositie van quantumtoestanden door interactie met de omgeving verloren gaat. Quantumcomputers, die op het principe van quantumtoestanden in superpositie gebaseerd zijn, hebben alleen toekomst als de coherentie lang genoeg stand houdt om voldoende logische bewerkingen te kunnen uitvoeren. Hoe dan ook, het kan nooit kwaad eens met Schrödingers kat te experimenteren, in plaats van er alleen maar over te filosoferen.

Datum:

30-05-1996

Sectie:

Wetenschap en Onderwijs

Pagina:

6

Persoon:

David Wineland Chris Monroe