Een van de vreemdste observaties uit de quantumwereld is dat quantumobjecten zich soms gedragen als deeltje en soms als golf. Dit gekke quantumgedrag is nu kwantitatief onderzocht. In een experiment keken Zuid-Koreaanse onderzoekers hoe ‘golfachtig’ en hoe ‘deeltjesachtig’ lichtdeeltjes zijn.
Dat een quantumobject zich kan gedragen als golf en als deeltje, is aangetoond in experimenten. Maar, vroegen natuurkundige Tai Hyun Yoon en scheikundige Minhaeng Cho van het Institute for Basic Science in Seoul zich af, is het een deeltje dat zich een beetje als golf gedraagt? Of is het een golf die zich een beetje als deeltje gedraagt? Oftewel: kun je meten of een quantumobject meer golf of meer deeltje is?
Licht door twee spleten
Het duale golf-deeltjegedrag is zichtbaar in het tweespletenexperiment. Dit beroemde natuurkunde-experiment bestaat uit een plaat met twee dunne spleten en daarachter een scherm. Als je laserlicht op de twee spleten schijnt, dan verschijnt er op het scherm een patroon van meerdere parallelle lichte en donkere strepen.
Dat komt doordat je licht kunt zien als een golf die door beide spleten klotst. Vanuit elke spleet ontstaat er een golfpatroon met toppen en dalen, zoals wanneer je een steen in een vijver gooit. De toppen en dalen kunnen elkaar uitdoven of versterken. Waar ze elkaar versterken ontstaan lichte strepen op het scherm, waar ze elkaar uitdoven is het donker.
Dit zogeheten interferentiepatroon ontstaat ook als je lichtdeeltjes een voor een op de spleten afvuurt. Dat klinkt gek. Je verwacht dat elk lichtdeeltje door een van de twee spleten gaat en dan op het scherm daarachter terechtkomt. En dat zou dan twee parallelle strepen licht moeten opleveren. Maar door het bijzondere quantumgedrag van licht gebeurt dat niet. Zelfs een enkel lichtdeeltje gedraagt zich als een golf die door beide spleten gaat en een interferentiepatroon vormt.
Dit verandert als je kijkt door welke spleet de lichtdeeltjes gaat. Dan zie je elk deeltje maar door een van de twee spleten gaan. Met een detector naast de spleten krijg je dus twee strepen licht op het scherm. De lichtdeeltjes gedragen zich dan als deeltjes die maar door één spleet tegelijkertijd kunnen. Deze bijzondere rol van een ‘waarnemer’ in de quantumfysica is nog niet goed verklaard.
Golfachtig of deeltjesachtig
De Zuid-Koreaanse onderzoekers gebruikten een variant op het tweespletenexperiment om te onderzoeken of bepaalde lichtdeeltjes meer golf of meer deeltje zijn. Theoretische modellen voorspellen dat de mate van golf- of deeltjesachtigheid van een quantumobject afhankelijk is van de bron.
In hun experiment keken de onderzoekers naar lichtdeeltjes (fotonen) die werden uitgezonden door een kristal. Ze schenen met een laser op twee lithiumniobaatkristallen. Elk kristal produceert hierdoor twee lichtdeeltjes. De twee lichtdeeltjes hebben een bijzondere quantumband omdat ze tegelijkertijd in hetzelfde kristal ontstonden. Ze gedragen zich samen als één quantumobject.
Een van die twee lichtdeeltje stuurden de onderzoekers naar een tweespletenexperiment om de golfachtigheid ervan te bepalen. Van het tweede lichtdeeltje werd het pad dat het aflegt waargenomen om de deeltjesachtigheid ervan te onderzoeken.
Vervolgens veranderden de onderzoekers de intensiteit van de laser die op de kristallen scheen. Hierdoor veranderde de kans dat een kristal twee lichtdeeltjes uitzendt. Als de kans heel groot is dat maar een van de twee kristallen twee lichtdeeltjes uitzendt, dan blijkt het interferentiepatroon van lichte en donkere strepen in het tweespletenexperiment bijna niet zichtbaar te zijn op het scherm. Dat betekent dus dat het lichtdeeltje meer deeltjesachtig is dan golfachtig.
De lichtdeeltjes worden golfachtiger als je de intensiteit van de laser zo aanpast dat de kans op het uitzenden van twee lichtdeeltjes voor beide kristallen even groot is. In dat geval is het interferentiepatroon op het scherm helder en duidelijk.
Controle quantumobject
Hiermee hebben de onderzoekers aangetoond dat de theoretische voorspelling klopt. De bron van de lichtdeeltjes (hier de kristallen met de laser) beïnvloedt inderdaad de golf- of deeltjesachtigheid van een quantumobject.
‘Het is een geweldige prestatie. De onderzoekers konden een enkele lichtdeeltjestoestand produceren waarin ze alle factoren onder controle hadden’, zegt Girish Agrawal, natuurkundige aan de Texas A&M University, in Physics World. Argawal was niet betrokken bij het experiment, maar wel bij de eerdere theoretische voorspellingen van dit duale quantumgedrag.
Het experiment helpt ons niet alleen quantumgedrag beter te begrijpen, ook kan het toepassingen hebben in quantumtechnologie, zoals quantumnetwerken, stelt Cho, een van de twee auteurs van de studie. ‘Deze extra beheersbaarheid van het golf- of deeltjesgedrag zou een interessante en nuttige manier kunnen zijn om quantumtoestanden aan te sturen die van belang kunnen zijn binnen het vakgebied van de quantuminformatie.’
