Je leest:

IJzeren quantumwet omzeild met slim experiment

IJzeren quantumwet omzeild met slim experiment

Wetenschappers ‘ontwijken’ Heisenbergs onzekerheidsprincipe

Auteur: | 24 maart 2017

Hoe goed je ook meet, je kunt nooit tegelijk de exacte positie én snelheid van een deeltje weten. Dat stelde Werner Heisenberg in 1927. Het klinkt raar, maar de natuur lijkt op extreem kleine schaal echt zo te werken. Het is Spaanse wetenschappers nu gelukt om Heisenbergs principe te omzeilen. De experimentele truc biedt kansen voor preciezere MRI-scanners en atoomklokken.

In de wetenschap draait het erom zoveel mogelijk te weten komen over de wereld om ons heen, maar soms zitten de natuurwetten in de weg. Zeker bij de kleinste deeltjes, de atomen waaruit onze wereld is opgebouwd. De Duitse quantumfysicus Werner Heisenberg ontdekte in 1927 dat je nooit alles van een deeltje kan weten. Óf je weet zijn positie exact, of je weet precies wat zijn snelheid is. Heisenbergs stelling vormt een van de hoekstenen van de vaak tegenintuïtieve wetten van de quantummechanica. Het limiteert ook de precisie van meetsystemen zoals MRI-scanners en atoomklokken.

Wetenschappers van het Barcelona Institute of Science and Technology zijn Heisenberg nu te slim af. Ze wisten méér informatie uit een verzameling gevangen rubidium-atomen te persen dan de theorie lijkt toe te staan. Ze richtten zich op de draairichting van deze atomen. Door de ingebakken quantumonzekerheid in een ‘onbelangrijk deel’ van de draaiing te stoppen wisten ze de wél relevante informatie met een grotere precisie dan ooit te bepalen. Ze publiceerden hun resultaten deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Quantumwet omzeilen

Maar voor we verder gaan: ja, de quantummechanica staat nog steeds. Het natuurkundige bouwwerk van formules hoeft niet de prullenbak in. Het Spaanse experiment houdt zich keurig aan wat Heisenberg voorspelde: er is een limiet aan wat je van een elementair deeltje kan weten.

Giorgio Colangelo en collega’s omzeilden de quantumwet met een zogenoemde optische val waarin ze bijna twee miljoen geladen rubidium-atomen vasthielden. De gevangen deeltjes draaiden onder invloed van een magneetveld, als minuscule tolletjes waarvan de draairichting een bepaalde kant op wijst.

Een belangrijke eigenschap van deeltjes zoals atomen is de draairichting of ‘spin’. Dit kan worden voorgesteld als een draaiend tolletje. De richting van de draaias kan worden opgedeeld in drie richtingscomponenten: hoe ver de draaias in noord-zuid-richting wijst, in de oost-west-richting én hoe ver de draaias naar boven of beneden wijst.

In het experiment van Colangelo gaat het om de draairichting van de gevangen deeltjes, de spin. Om de draairichting te beschrijven gebruiken wetenschappers drie verschillende richtingscomponenten (zie uitleg afbeelding). Met een laser kun je ieder van die componenten precies meten, maar die meting zelf verstoort volgens het principe van Heisenberg onvermijdelijk de twee andere richtingscomponenten. Je hebt dus nóóit het totaalplaatje van de spinrichting.

Met een slimme serie metingen wisten de wetenschappers er echter voor te zorgen dat alle ‘onderzekerheid’ van de spin in slechts een van de drie richtingscomponenten komt te zitten. Het gevolg daarvan is dat de twee overgebleven richtingen wél met een zeer grote precisie te bepalen zijn. In die twee ‘relevante’ richtingen haalden de wetenschappers een precisie die bijna twee keer hoger ligt dan de theorie voorschrijft. Dat terwijl Heisenberg zich niet hoeft om te draaien in zijn graf.

Een MRI-scanner in actie.
Barbara Braams

MRI-scanners en atoomklokken

Julia Cramer van het Delftse onderzoeksinstituut QuTech, is enthousiast over de ontdekking. “Dit experiment raakt echt de fundamenten van de quantummechanica”, zegt ze. “Het draagt bij aan het inzicht in quantummetingen, hoe je quantuminformatie kunt kunt verkrijgen zonder het te verstoren. De foutcorrectie is essentieel bij de ontwikkeling van quantumcomputers, iets waar ook in Delft aan wordt gewerkt.”

Volgens de Spaanse onderzoekers kan de ontdekking uiteindelijk toegepast worden in de medische en wetenschappelijke wereld. Apparaten als MRI-scanners en atoomklokken maken namelijk gebruik van metingen aan de spins van atomen. Als dat preciezer kan, kunnen ze ook beter presteren, is de redenering.

Bron

  • Colangelo G. et al., Simultaneous tracking of spin angle and amplitude beyond classical limits, Nature (22 maart 2017), DOI:10.1038/nature21434
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 24 maart 2017

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.