Een klein vibrerend kristal met het gewicht van een zandkorrel is het zwaarste voorwerp ooit dat in een superpositie van locaties is vastgelegd.

“Is de kat levend of dood? Of een beetje van beide?” Dat is de grote vraag die centraal staat in het gedachte-experiment van de natuurkundige Erwin Schrödinger (dit experiment wordt later in de tekst uitgelegd). De Nobelprijswinnende Oostenrijker is een grote naam in de quantummechanica, maar is misschien wel het bekendst geworden om een experiment dat hij nooit heeft uitgevoerd. Dat omvat een quantummechanisch systeem, maar dan uitvergroot. Waar je het normaal over een heel klein deeltje, zoals een elektron, hebt, maakte Schrödinger alles wat visueler met iets groters: een kat.

Veel natuurkundigen zijn de uitdaging aangegaan om het experiment echt uit te voeren. Natuurlijk niet met een echte kat, maar met kleinere deeltjes. Nu is een team erin geslaagd om dat met een kristal van 16 microgram te doen. Dit is nu de zwaarste Schrödingers kat waarmee dat ooit is gelukt.

Lees ook:

• De wetenschap achter het perfect gekookte eitje
• De stille quantumrevolutie
• Bijzonder: quantumverstrengeling gekiekt!

Ogen dicht

In de quantumwereld gelden net iets andere regels dan op de schaal van ons dagelijks leven. Gooit iemand een bal in de lucht, dan kun je precies zien waar die bal zich op elk moment bevindt. Je kunt zelfs de valsnelheid bijhouden met een stopwatch. Wanneer de bal tot stilstand komt op de grond, valt er niet te twisten over de laatste rustpositie; die is overduidelijk. Zou je je ogen dichtdoen terwijl de bal valt, dan kun je aannemen dat zijn locatie en zijn gedrag hetzelfde zullen zijn als wanneer je kijkt. Maar in de quantumfysica kun je niets aannemen tot je je ogen opendoet en de bal ziet liggen op de grond.

Volgens de Kopenhaagse Interpretatie van de quantumfysica bestaat het ongeziene systeem in een staat van alle mogelijkheden tot zijn laatste staat is geobserveerd. Dat noem je superpositie. De bal is dus op meerdere plekken tegelijk tot je je ogen opendoet, hem observeert en zijn echte locatie bepaalt. Schrödinger was sceptisch over deze theorie. Om te laten zien hoe absurd het hele idee was, beschreef de Oostenrijker een situatie waarin een ongeziene positie van een quantumdeeltje was gelinkt aan het leven van een ongeziene kat.

Kattig kristal

In zijn gedachte-experiment wordt een kat in een afgesloten doos gezet. Naast de kat staat een dodelijk apparaat dat wordt geactiveerd door een radioactief stofje. In een uur heeft het stofje 50 procent kans om te vervallen, het apparaat te activeren en zo de kat te doden. Doordat alles in een doos zit, is het onmogelijk om de conditie van de kat waar te nemen, tot je de doos opent. Tot dat moment is het stofje, volgens de quantummechanica, in een superpositie waarin hij zowel vervallen als niet vervallen is. Als gevolg daarvan is de kat dus ook in een superpositie waarin hij zowel levend als dood is. Een bizar beeld om je voor te stellen, maar dat was ook Schrödingers bedoeling.

In het dagelijks leven kom je natuurlijk alleen katten tegen die óf dood óf levend zijn. Hoe kan zo’n fenomeen als superpositie dan wel bestaan op quantumschaal, maar niet bij grotere voorwerpen? Gefascineerd door deze tegenstelling gingen natuurkundigen aan de slag om Schrödingers experiment echt uit te voeren. Eerder lukte hen dat al met atomen en moleculen.

Dikzak

Recent voerden natuurkundigen aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie (ETH) Zürich het experiment succesvol uit op ongekende schaal. Natuurlijk konden ze hiervoor geen echte kat van een paar kilogram gebruiken. In plaats daarvan gebruikten ze een high-overtone bulk acoustic-wave resonator (HBAR). Dit kristal van 16 microgram kon in bepaalde frequenties trillen wanneer er stroom doorheen liep. Onderdeel van Schrödingers experiment was het apparaat dat 50 procent kans had om de kat te doden. Daarvoor gebruikte het team een transmon: een supergeleidend circuit dat zich gedraagt als een quantumdeeltje en dat vaak wordt gebruikt in quantumcomputers.

De transmon diende als energiebron. Door hem aan de HBAR te koppelen, konden de onderzoekers het kristal in twee loodrechte richtingen tegelijk laten trillen. Waar de kat het quantumgedrag van het radioactieve stofje overnam in de vorm van ‘dood’ of ‘levend’, nam het kristal het quantumgedrag van de transmon over in de vorm van de twee trillingsrichtingen. Dit werd vervolgens weer waargenomen door de transmon. “Door de twee trillingsstaten van het kristal in een superpositie te zetten, hebben we succesvol een Schrödingers Kat gemaakt van 16 microgram”, zegt auteur en ETH Zurich natuurkundige Yiwen Chu. Dat is ongeveer even zwaar als een fijn zandkorreltje en ligt nog ver af van een kat, maar het is alsnog een miljard keer zwaarder dan een atoom of molecuul, waardoor dit kristal nu de dikste quantumkat ooit is.

Groot, groter, grootst

De wetenschappers slaagden er dus in om het kristal zich te laten gedragen als een quantumdeeltje. Dat werpt natuurlijk de vraag op van hoe groot je kunt gaan voordat een voorwerp dat niet meer kan. Hoogleraar theoretische natuurkunde Carlo Beenakker van de Universiteit Leiden ziet dit onderzoek als een belangrijke stap voorwaarts in het beantwoorden van die vraag. “Elektronen zijn quantumdeeltjes en die zijn microscopisch klein”, zegt hij. “Een kat is geen quantumdeeltje, want die is te groot. Maar hoe groot mag nog wel?”

Dit antwoord zou niet alleen kunnen verklaren waarom we superposities niet in het dagelijks leven met het blote oog kunnen waarnemen. Volgens de onderzoekers zou dit experiment ook kunnen leiden tot nieuwe methoden om quantumtechnologie te verbeteren. Je zou bijvoorbeeld kunnen denken aan een trillingsensor die gebruikmaakt van quantumsuperpositie. “Die zou dan een grotere nauwkeurigheid kunnen krijgen”, zegt Beenakker. “Bij de detectie van zwaartekrachtgolven zou dit bijvoorbeeld van pas kunnen komen.”

Bronnen: Science, ScienceAlert, ETH Zürich, Carlo Beenakker (Universiteit Leiden)

Beeld: Pixlr/Luku Muffin

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!