Natuurkundigen temmen een zwevend object van bijna niets: op weg naar het testen van de grens tussen kwantumwereld en onze wereld

Een voorwerp van één milligram. Dat is ongeveer het gewicht van een korreltje zout. Toch hebben onderzoekers dit kleine ding gebruikt om een nieuw record te vestigen in de kwantumnatuurkunde. Ze slaagden erin om de beweging van dit object zo goed onder controle te krijgen, dat het leek alsof het was afgekoeld tot 140 nanokelvin. Dat is 140 miljardste graden boven het absolute nulpunt, kouder dan bijna alles in het heelal.

Waarom is dat bijzonder? In de kwantummechanica, de natuurkunde van de allerkleinste deeltjes, gedraagt een "vrij deeltje" zich eigenlijk heel simpel: het beweegt ongestoord door de ruimte, zonder dat iets het tegenhoudt. Toch is het juist dit simpele geval nooit goed onder kwantumcontrole gebracht. Trillingen uit de omgeving en wrijving verstoorden steeds de metingen, vooral bij dit soort langzame, vrije beweging.

Een rotor die bijna stilstaat

De onderzoekers gebruikten een opgehangen "rotor": een klein plaatje dat vrij kan draaien, zoals een compassnaald zonder magneet die hem in een richting trekt. Ze isoleerden dit plaatje extreem goed van trillingen en warmte uit de omgeving. Daardoor werd de wrijving op de rotor onvoorstelbaar klein: slechts 7 nanohertz. Dat betekent dat het object zijn energie pas verliest over een tijdschaal van jaren.

Vervolgens gebruikten ze een techniek die "continue kwantummeting" heet. Je kunt het vergelijken met iemand voortdurend heel voorzichtig volgen met een zaklamp in een donkere kamer: elke keer dat je kijkt, leer je iets meer over waar die persoon is, en wordt zijn positie preciezer bekend. Zo'n vergelijking gaat wel mank, want in de kwantumwereld verandert het meten zelf de toestand van het object, iets wat bij een persoon in een kamer niet gebeurt. Door deze methode konden de onderzoekers de beweging van de rotor steeds nauwkeuriger vastpinnen, ook al is zo'n vrij bewegend object van nature juist moeilijk in toom te houden.

Het resultaat: een effectieve temperatuur van 140 nanokelvin. Dat klinkt misschien als een getal zonder praktisch belang, maar het is honderd keer kouder dan wat eerdere tafelblad-experimenten met dit soort opstellingen (optomechanica) ooit bereikten.

Wat kun je hiermee?

Met deze extreme controle konden de onderzoekers nieuwe, strengere grenzen stellen aan theorieën die beweren dat de kwantummechanica op grotere schaal net iets anders werkt dan de standaardtheorie voorspelt. Ook gebruikten ze het resultaat om de verhouding te bepalen tussen twee effecten die cruciaal zijn voor toekomstige tests van zwaartekracht op kwantumniveau: kwantumverstrengeling (waarbij twee objecten onlosmakelijk met elkaar verbonden raken) en decoherentie (het verlies van kwantumgedrag door verstoring uit de omgeving). Die verhouding ligt nu bijna honderd keer beter dan wat eerder mogelijk was.

Wat betekent dit (nog) niet: Dit is één onderzoeksteam dat deze resultaten heeft behaald. Het gaat om een technische doorbraak in experimentele controle, niet om een bewijs dat zwaartekracht kwantumeigenschappen heeft of dat de kwantummechanica aangepast moet worden. De strengere grenzen sluiten bepaalde alternatieve theorieën verder uit, maar leveren geen definitief antwoord op fundamentele vragen over zwaartekracht en kwantummechanica. Praktische toepassingen, zoals in kwantumsensoren, liggen nog ver in de toekomst.

Bron: Taming a macroscopic free mass through continuous quantum measurement