Decoherentie en Informatie

Het dubbele spleetexperiment

Figuur 1: Dubbele spleet interferentie met oppervlaktegolven.© Joerg Enderlein
Richard Feynman zei graag dat alle kwantumfysica kan worden afgeleid door zorgvuldig na te denken over de implicaties van dit enkele experiment, dat het daarom de moeite waard is om het te bespreken.

Die aanbeveling van Feynman is inderdaad een uitstekende en die zullen we volgen. Je hoeft er geen wiskundeknobbel voor te hebben maar alleen maar logisch te kunnen denken. Op zich is dat al vrij lastig voor veel mensen natuurlijk (lees Thinking Fast and Slow van Kahnemann) maar beslist niet buiten het bereik van mensen met een gemiddelde intelligentie als ze de moeite nemen om zorgvuldig te denken.

Vrijwel alles wat ik over de kwantumfysica en haar interpretatie te zeggen heb is uiteindelijk gebaseerd op het in wezen simpele dubbele spleet experiment. Een groot deel van de meeste actuele en interessante kwantum experimenten is ook hierop gebaseerd. Het betreft steevast kwantumgolven die – na even verschillende wegen afgelegd te hebben – weer bij elkaar komen om met zichzelf te interfereren. Ze doven elkaar uit of versterken elkaar op verschillende plekken in een vast patroon. Andere interessante interferentie experimenten zijn de Mach-Zehnder experimenten maar daar gaat het hier nu even niet over.

Een eindeloze golf van mogelijkheden

Figuur 2: Dubbelspleet experiment met golven. Uitwaaierende lijnen van maximale uitwijking ontstaan door superpositie van twee golfpatronen.

De praktische interpretatie van de kwantumgolf, ook wel toestandsgolf genoemd, is dat het een golf is die alle potentiële materiële manifestaties van het bestudeerde object in zich heeft (superposities) en die zich dynamisch in ruimte en tijd uitbreidt totdat de golf op zijn weg een fysisch detectie instrument raakt.

Bij die ontmoeting manifesteert het object zich, potentie wordt fysieke presentie, en de golf verdwijnt tegelijkertijd in het niets.

Je kunt ook zeggen dat er slechts één van het oneindige spectrum van mogelijke materiële manifestaties die de golf bevat, overblijft en zich dus manifesteert en dat de rest daarvan spoorloos in het niets verdwijnt. De golf is dan het deeltje geworden.

Figuur 3: De blinde monniken en de olifant.

Die abrupte overgang is de zogenaamde kwantumcollaps waarvoor er meer hypotheses zijn bedacht dan er waren in het geval van de acht blinde monniken en de olifant.

Dubbele en enkele spleet patronen

Bij een dubbele spleet krijgen we een interferentiepatroon te zien, bij een enkele spleet overigens ook maar dat ziet er heel anders uit. In het midden van het enkele spleet patroon zien we een vlek met in het midden een maximale helderheid die naar de randen afneemt tot nul en dan nog enkele kleine maxima links en rechts daarvan. Die kleine maxima zijn het resultaat van effecten die de golf ondervindt bij de randen van de enkele spleet. Dat heet diffractie. De golf buigt bij de randen namelijk af van zijn hoofdrichting. De golven die van de linker- en van de rechterzijde van de spleet komen interfereren ook op hun weg naar het scherm.

Figuur 4: Huygens principe voor golven die een enkele spleet passeren

Er is dus een zeer duidelijk verschil tussen het patroon dat ontstaat achter een enkele spleet en achter een dubbelspleet. Beide patronen laten interferentie zien en zijn daarom het gevolg van golfgedrag.

Figuur 5: Het diagram aan de linkerkant toont het diffractiepatroon als gevolg van een enkele spleet. De breedte van dat patroon wordt bepaald door de spleetbreedte. @physics.stackexchange.com

Wat als we bij de spleten gaan kijken wat daar gebeurt?

Er wordt bij deze dubbele spleet experimenten duidelijk een belangrijke rol gespeeld door informatie. Dat ga ik uitleggen. Als we bij een willekeurig tweespleten experiment, of het nu om fotonen, elektronen, buckeyballs of nog grotere objecten gaat, het experiment zo inrichten dat het ook informatie beschikbaar maakt over de gekozen spleet, verschijnt het kenmerkende interferentiepatroon, de donkere en lichte banden, niet. In plaats daarvan is het resultaat een vlek die recht achter de spleten het helderst is en naar buiten in helderheid afneemt. Die vlek is het opgetelde resultaat van twee enkele spleet projecties die enigszins verschoven zijn ten opzichte van elkaar.

Figuur 6 – Kijken bij de spleet. Het object of zijn toestandsgolf manifesteert zich nu telkens in één van de spleten.
Figuur 7: Resultaat van ‘kijken’ bij de dubbelspleet door welke spleet het object ging. De grijze lijn is de opgetelde projectie van golven die telkens door maar één spleet gaan.

De meest voor de hand liggende en eenvoudige interpretatie van bovenstaand patroon is dat de kwantumgolf voor elk geobserveerd object slechts door één van beide spleten is gegaan. Het hoeft dus niet zo te zijn dat het object zich daadwerkelijk in de spleet heeft gemanifesteerd. De kans om het aan te treffen in de spleet was daar 100% op een zeker moment, maar de filosofisch interessante vraag is of dat hetzelfde is als een materiële aanwezigheid.

De invloed van informatie gemeten

In een belangrijk experiment uitgevoerd aan het Korea’s Institute for Basic Sciences (IBS) in 2021 is het effect op de interferentie gemeten van de hoeveelheid informatie over de gekozen spleet. In het artikel in Physicsworld zie ik de veelvuldig gemaakte denkfout dat het experiment de scheiding aantoont tussen kwantumgolfgedrag en deeltjesgedrag, door Niels Bohr complementariteit genoemd. Ik vind dat principieel fout omdat we in alle gevallen – achteraf – golfgedrag constateren dat uiteindelijk pas bij de detector in een waargenomen deeltje resulteert. Er is dus altijd een golf die zelf niet waargenomen wordt maar wordt aangenomen als verklaring van de verschijnselen, en er is altijd uiteindelijk een deeltje dat wel waargenomen wordt. Als u dat een subtiel verschil vindt dan heeft u gelijk, maar het is in de interpretatie die ik hieronder zal geven desalniettemin belangrijk.

Het effect in het Koreaans experiment is dat het interferentiepatroon dat we zien als we geen informatie over de gepasseerde spleet kunnen vaststellen, geleidelijk overgaat van een patroon als in figuur 2 – donkere en lichte banden – in een patroon als in figuur 7 – twee over elkaar gelegde enkele spleet projecties. Naarmate er meer informatie beschikbaar gemaakt wordt over de gepasseerde spleet komt het patroon meer overeen met figuur 7. De experimentatoren konden die informatie dus gecontroleerd gradueel vermeerderen of verminderen.

Conclusie: de informatie die het experiment kan opleveren speelt een cruciale rol in hoe de kwantumgolf zich door de spleten heen beweegt. Hoe meer informatie, hoe meer de golf door één van de spleten gaat lopen en hoe meer het enkele spleetpatroon getoond wordt. Er is in het experiment zelfs een mathematische relatie vastgesteld tussen de beschikbare informatie en de verdeling van de kwantumgolf over de spleten. Die ziet er zo uit: V (interferentiepatroon duidelijk twee spleten) en P (spleetinformatie) zijn gerelateerd volgens de mathematische expressie P2 + V2 = constant. Pythagoras kijkt weer eens mee over onze schouders zoals zo vaak in de kwantumfysica.

Decoherentie

Eigenlijk kun je dus zeggen, wanneer de golf door maar één spleet gaat, dat de kwantumgolf de helft van de mogelijkheden die de golf bezit voor de manifestatie van het deeltje verloren heeft. Dat is niets meer of minder dan decoherentie, zij het een gedeeltelijke. Dus decoherentie en informatie zijn positief gecorreleerd, hoe meer informatie, hoe meer decoherentie. Zo bezien neemt men dus een zodanige decoherentie van de kwantumgolf waar dat het deeltje nog door één spleet lijkt te gaan. En dan is de meestal getrokken conclusie dus dat het deeltje in de spleet was terwijl we strikt genomen alleen zouden mogen zeggen dat de golf slechts door één spleet ging.

Hier hebben we dus een andere interpretatie van decoherentie te pakken dan die waarin de moleculaire onrust van het meetinstrument die decoherentie veroorzaakt, een hypothese waar Von Neumann al tegen protesteerde en Schrödinger met zijn kat in doos gedachte-experiment juist indirect voor pleitte.

Maar de totale decoherentie dan bij de detector? Wordt die dan ook veroorzaakt door de informatie die we hebben? Dat is inderdaad prima te verdedigen. De informatie die we namelijk hebben is dat de detector altijd een fysieke barrière vormt voor het deeltje. Mee eens? Die informatie is voor 100% gecorreleerd met de volledige decoherentie van de kwantumgolf bij de detector.

Met deze interpretatie kunnen we ook de uitzonderingen verklaren op wat moleculaire onrust decoherentie veroorzaakt. Dat zijn de optische onderdelen, zoals lenzen en spiegels die geen decoherentie veroorzaken terwijl ze groot en onrustig genoeg zijn. En dat de uitzonderingen wegvallen pleit natuurlijk extra voor deze informatie-decoherentie interpretatie. Denk daar maar eens over na. Misschien goed nieuws voor de bouwers van kwantumcomputers waar de decoherentie van hun verstrengelde qubits het grote probleem is.

De rol van de waarnemer

Om terug te komen op die acht blinde monniken en hun olifant, volgens mij is het onderdeel van deze experimenten waar veel fysici een blinde vlek voor lijken te hebben juist het onmisbare onderdeel waarvoor informatie een grote rol speelt: de waarnemer. Die is de olifant in de kamer.

Quantum: nieuwe regels of een heel nieuw spel?

Op vrijdag 23 september aanstaande is er in het kader van het Better Future Now Festival in De Waag in Amsterdam een hele dag, met workshops en sprekers, met als motto ‘Quantum: nieuwe regels of een heel nieuw spel?’. Van ca. 15:30 tot 17u wordt daar door experts op diverse terreinen, onder andere Deborah Nas, Carlo Beenakker, Andrija Pavlovic, Douwe-Sjoerd Bosman, Hairi Oumaima, Lieven Vandersypen en Caiseal Beardow, hun visie op de kwantumfysica gebracht. Van 17 tot 18u is er een paneldiscussie. Ik ben ook uitgenodigd als een van de sprekers. Daar ga ik het, binnen de toegestane tijd van tien minuten, over dit onderwerp hebben. Als u bovenstaande in dit bericht gelezen en begrepen hebt, dan weet u al meer dan ik in die tien minuten kwijt kan. Maar er is gelukkig daarna ook nog gelegenheid voor vragen.

Inschrijving voor het festival is gratis.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *