Afdalen naar de grenzen van de kwantumwereld
Het is 1935. Een brief ploft op de deurmat van een Duitse natuurkundige. Zijn naam is Albert Einstein. De afzender: collega-kwantumfysicus Erwin Schrödinger. In zijn brief maakt Schrödinger zich vrolijk over het idee van een kat die dood en levend tegelijk kon zijn, een gevolg van de wetten van de kwantummechanica. ("Hoe ridicuul!") Einstein beaamt. We spoelen tweeëntachtig jaar vooruit, naar het jaar 2017. In een Leidens laboratorium proberen wetenschappers Schrödingers kat te fabriceren. Omdat het lastig werken is met een kat die dood en levend tegelijk is, werd het doel iets aangepast: een object maken dat op twee plaatsen tegelijk is.
Een trampoline voor licht
Het object is een klein spiegeltje. Door het spiegeltje op veren te monteren, kan het op en neer bewegen, als een trampoline. Die beweging kan gemeten en gemanipuleerd worden door er licht op af te sturen. Yasmine Sfendla (KU Leuven) identificeerde in het Leidse laboratorium methoden om met minder licht de beweging van het spiegeltje preciezer te meten, en de beweging verder te dempen. Zodra het spiegeltje bijna stilstaat, kan het in een kwantumtoestand gebracht worden waarbij het op twee plekken tegelijkertijd is. De mogelijkheid om op twee plaatsen tegelijkertijd te zijn, is een van de meest bizarre consequenties van de wetten van de kwantummechanica. Die wetten beschrijven het gedrag van microscopische objecten, zoals atomen, elektronen en lichtdeeltjes (fotonen). Ze lijken paradoxaal aan de wetten die onze dagdagelijkse, macroscopische wereld beschrijven. Want katten, mensen, tafels, spiegels, vorken, bloempotten: die kunnen toch niet op twee plekken tegelijk zijn? Dat dachten de grondleggers van de theorie, Einstein en Schrödinger, ook. De vraag is dan: als een mens te groot is om in een kwantumtoestand te brengen, maar een atoom klein genoeg, waar ligt dan de grens? Kan je een voorwerp maken dat groter is dan een atoom, maar kleiner dan een mens, dat gehoorzaamt aan de wetten van de kwantummechanica? Tijdens de hele twintigste eeuw was deze vraag niet meetbaar te beantwoorden. Experiment en theorie waren aparte vakken, en dode levende katten niet meer dan een grapje onder theoreten. Revolutionaire technische ontwikkelingen aan het eind van de eeuw hebben de grens tussen beide echter opengebroken, en wetenschappers doen dromen van het maken van een ding - eender wat - dat in een dubbele toestand kan zijn.
Microscopie-foto van het spiegeltje, via vier veren gemonteerd aan de omliggende structuur. De diameter van het spiegeltje (centraal op de foto) is 0.7mm. Eigendom van Matthew Weaver, UCSB.
Kwantumfysica uit het vuistje
In Leiden is dat het cirkelvormige spiegeltje, van iets meer dan een halve millimeter breed. Klein dus, maar gigantisch in vergelijking met een atoom. Je kan het zien, voelen, vasthouden. Het spiegeltje moet op twee plekken tegelijk gebracht worden door er fotonen op te schieten. Wanneer een foton van de spiegel af stuitert, kan zo'n deeltje de spiegel verplaatsen. In de dagdagelijkse wereld zijn er twee mogelijkheden: het foton raakt de spiegel, en de spiegel is verplaatst. Of: het foton raakt de spiegel niet, en de spiegel blijft waar hij is. In de kwantumwereld is er nog een derde mogelijkheid. Het foton kan tegelijkertijd wel en niet op de spiegel af stevenen. In dat geval is de spiegel tegelijkertijd verplaatst en niet verplaatst.
Drukkend licht
De drukkracht van licht is miniem. Daardoor kan het spiegeltje maar een heel klein beetje verplaatst worden. Om zo'n kleine verplaatsing te kunnen veroorzaken en meten, is het nodig dat het spiegeltje vóór het uitvoeren van het experiment perfect stilstaat. Bij kamertemperatuur trilt elk voorwerp echter een beetje, omdat de atomen die het object opmaken trillen. Deze beweging heet thermische beweging. Hoe warmer, hoe meer beweging. De trilling is zo klein dat hij in het dagdagelijks leven niet merkbaar is, maar voor een supergevoelig experiment is hij destructief. Deze voorbereidingen waren het afgelopen decennium de focus van de Leidse onderzoekers. De demping van de thermische beweging gebeurt door het spiegeltje eerst in een ultrakoude omgeving te plaatsen, en vervolgens de thermische beweging nog verder tegen te werken door er met grote hoeveelheden laserlicht druk op uit te oefenen.
De wetenschappers merkten dat wanneer zij te veel licht gebruikten, het spiegeltje juist opwarmde in plaats van af te koelen doordat een fractie van het licht geabsorbeerd werd in het spiegeltje. Het implementeren van een nieuwe methode die de benodigde hoeveelheid licht vermindert, maakt dat de temperatuur van het spiegeltje verder verlaagd kon worden. Of dat laag genoeg is om aan kwantumexperimenten te beginnen, moet de komende maanden blijken, wanneer de nieuwe methoden ten volle benut worden. Zeker is, dat elke temperatuurdaling ons een stapje dichter bij de kwantumwereld brengt.
