211service.com
Het experiment waarmee mensen kwantumverstrengeling kunnen zien
Verstrengeling is het vreemde fenomeen waarbij twee kwantumdeeltjes zo diep met elkaar verbonden raken dat ze hetzelfde bestaan delen. Wanneer dit gebeurt, heeft een meting op het ene deeltje onmiddellijk invloed op het andere, ongeacht de afstand ertussen.
Verstrengeling houdt natuurkundigen al bijna een eeuw voor een raadsel. In eerste instantie werd het bestaan ervan betwist. Maar tegenwoordig creëren natuurkundigen in grote aantallen verstrengelde deeltjes in laboratoria over de hele wereld. Ze gebruiken routinematig verstrengeling om perfect gecodeerde berichten te verzenden, om kwantumberekeningen te bestuderen en om de aard van dit diepgaande fenomeen beter te begrijpen.
Het gemak waarmee deeltjes zoals fotonen kunnen worden verstrengeld, heeft sommige natuurkundigen ertoe gebracht een interessante aanvullende vraag te stellen: zullen mensen ooit verstrengeling kunnen zien?
Vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Valentina Caprara Vivoli aan de Universiteit van Genève in Zwitserland een paar vrienden. Ze hebben een experiment bedacht waarmee een menselijk oog verstrengeling direct kan detecteren. En ze zeggen dat de scène nu klaar is voor het eerste experiment van deze soort.
Een manier vinden waarop een menselijk oog verstrengelde fotonen kan detecteren, klinkt eenvoudig. Het oog is immers een fotondetector, dus het zou voor een oog mogelijk moeten zijn om een fotodetector te vervangen in elk standaard verstrengelingsdetectie-experiment.
Een dergelijk experiment kan bestaan uit een bron van verstrengelde fotonenparen, die elk via een geschikte experimentele opstelling naar een fotodetector worden gestuurd.
Door de aankomst van fotonen bij elke detector te vergelijken en door het detectieproces vele malen te herhalen, is het mogelijk om statistisch te bepalen of er verstrengeling optreedt.
Het is gemakkelijk voor te stellen dat dit experiment gemakkelijk kan worden herhaald door een van de fotodetectoren te vervangen door een oog. Maar dat blijkt niet het geval te zijn.
Het grootste probleem is dat het oog geen enkele fotonen kan detecteren. In plaats daarvan moet elke lichtdetectiestaaf aan de achterkant van het oog worden gestimuleerd door een flinke handvol fotonen om een detectie te activeren. Het laagste aantal fotonen dat de truc kan doen, wordt geschat op ongeveer zeven, maar in de praktijk zien mensen fotonen meestal pas als ze aankomen in de honderden of duizenden.
Zelfs dan is het oog geen bijzonder efficiënte fotodetector. Een goed optisch laboratorium heeft fotodetectoren die meer dan 90 procent efficiënt zijn. Daarentegen is het oog bij de allerlaagste lichtniveaus ongeveer 8 procent efficiënt. Dat betekent dat het veel fotonen mist.
Dat schept een aanzienlijk probleem. Als een menselijk oog ooit verstrengeling op deze manier wil zien, dan zullen natuurkundigen niet slechts twee fotonen moeten verstrengelen, maar minstens zeven, en idealiter vele honderden of duizenden.
En dat is simpelweg niet mogelijk met de technologie van vandaag. In het beste geval zijn natuurkundigen in staat om een half dozijn fotonen te verstrengelen, maar zelfs dit is een moeilijke taak.
Wat nodig is, is een manier om het effect van een enkel verstrengeld foton te versterken, zodat het met het oog kan worden gedetecteerd, maar om dit te doen zonder de allerbelangrijkste verstrengeling te vernietigen.
Vivoli en co zeggen dat ze een truc hebben bedacht die een enkel verstrengeld foton effectief versterkt tot vele fotonen die het oog kan zien. Hun truc hangt af van een techniek die een verplaatsingsoperatie wordt genoemd, waarbij twee kwantumobjecten interfereren, zodat de ene de fase van de andere verandert.
Een manier om dit met fotonen te doen is met een bundelsplitser. Stel je een bundel coherente fotonen voor van een laser die is gericht op een bundelsplitser. De straal wordt door de splitter doorgelaten, maar een verandering van fase kan ervoor zorgen dat deze in plaats daarvan wordt gereflecteerd.
Stel je nu een andere bundel coherente fotonen voor die interfereert met de eerste. Dit verandert de fase van de eerste bundel zodat deze wordt gereflecteerd in plaats van uitgezonden. Met andere woorden, de tweede bundel kan de reflectie in- en uitschakelen.
Cruciaal is dat de schakelbundel niet zo intens hoeft te zijn als de hoofdbundel - hij hoeft alleen coherent te zijn. Inderdaad, een enkel foton kan deze truc doen om een intensere straal te wisselen, althans in theorie.
Dat is de basis van de nieuwe aanpak. Het idee is om een enkel verstrengeld foton te gebruiken om de doorgang van een krachtigere bundel door een bundelsplitser te schakelen. En het is deze krachtigere straal die het oog detecteert en die nog steeds de kwantumaard van de oorspronkelijke verstrengeling behoudt.
Dat is de theorie. Vivoli en co zeggen dat de technologie nu beschikbaar is om dit soort experimenten uit te voeren. Ze zeggen dat hun werk overtuigend de mogelijkheid aantoont om het eerste experiment te realiseren waarbij verstrengeling met het oog wordt waargenomen.
Toch zal dit experiment moeilijk te doen zijn. Ervoor zorgen dat de optische versterker werkt zoals ze beweren, zal bijvoorbeeld moeilijk zijn.
En zelfs als dat zo is, zal het nog moeilijker zijn om elke detectie in het oog betrouwbaar vast te leggen. De test voor verstrengeling is een statistische test die veel tellingen van beide detectoren vereist. Dat betekent dat een persoon in het experiment een ja of nee-antwoord zou moeten registreren voor elke run, duizenden of tienduizenden keren herhaald. Vrijwilligers zullen voldoende tijd aan hun handen moeten hebben.
Toch is het mogelijk dat de eerste experimenten van dit soort al aan de gang zijn, misschien zelfs in de laboratoria van Vivoli en co. Dus we kunnen binnenkort de identiteit ontdekken van de eerste persoon die verstrengeling ziet.
Natuurlijk zullen experimenten als deze snel de glamour en romantiek uit de populaire perceptie van verstrengeling halen. Het is inderdaad moeilijk te begrijpen waarom iemand verstrikt zou willen raken in een fotodetector gedurende de tijd die nodig is om dit experiment uit te voeren.
Een manier om deze motivatie te vergroten zou zijn om het experiment zo aan te passen dat het twee mensen verstrikt. Het is niet moeilijk je een volk voor te stellen dat aan zo'n experiment zou willen deelnemen, misschien zelfs gretig.
Dat vereist een aangepaste opstelling waarin beide detectoren menselijke ogen zijn, met hun hoge activeringsniveau en hun lage efficiëntie. Of dit mogelijk zal zijn met de opstelling van Vivoli en co is nog niet duidelijk.
Alleen dan zullen vrijwilligers de vraag kunnen beantwoorden die bij de meeste natuurkundigen ongemakkelijk zit. Hoe voelt het om verstrikt te zijn met een ander mens?
Gezien de aard van dit experiment, zal het antwoord geestdodend saai zijn. Maar zoals Vivoli en co in hun conclusie aangeven: het is veilig om te zeggen dat het onderzoeken van menselijke visie met kwantumlicht terra incognita is. Dat maakt het op zich al een aantrekkelijke uitdaging.
Nogal!
Referentie: arxiv.org/abs/1602.01907 : Wat is er nodig om verstrengeling te zien?