Nobelprijs natuurkunde voor aantonen non-lokaliteit kwantumverstrengeling

Het werd tijd dat de Bell gehoord werd.

Alain Aspect, Anton Zeilinger en John Clauser hebben samen de 2022 Nobelprijs toegekend gekregen voor hun inspanningen om aan te tonen dat kwantumverstrengeling bestaat en dat die non-lokaal is. John Clauser was de eerste die dat experimenteel aantoonde met een Bell test in 1972. In 1982 wordt zijn resultaat bevestigd door Alain Aspect, maar er zijn dan nog achterdeurtjes (loopholes) te bedenken die zijn resultaten op een klassiek fysische manier zouden kunnen verklaren. Dan – 35 jaar later in 2017 – voert Anton Zeilinger een test uit die alle eventuele loopholes definitief uitsluit.

Kwantumverstrengeling bestaat en is non-lokaal, dat wil zeggen de relatie die de deeltjes met elkaar hebben is instantaan en niet afhankelijk van hun onderlinge afstand en is dus strijdig met de relativiteitswetten van Einstein omdat zo’n relatie onmiddellijke communicatie tussen de deeltjes zou inhouden.

Eerlijk gezegd was een test die de eventuele loopholes uitsluit al in 2015 gedaan door het team van Hanson en Henson in Delft. Maar het is de heren Clauser, Aspect en Zeilinger van harte gegund, deze prijs. Het was in 1972 nog een heftig omstreden punt en dit soort onderzoek werd in die tijd nog niet echt gezien als bevorderlijk voor je wetenschappelijke carrière. Non-lokaliteit zette (te) grote vragen bij het beeld van de natuur zoals dat toen algemeen bestond. Het kon gewoon niet. Clauser en Aspect zetten hun carrière dus op het spel. Zie deze quote op Quanta Magazin in het artikel over de Nobelprijs onder de kop “Who performed Bell’s experiment?”: “Initially, physicists including Richard Feynman discouraged Clauser from pursuing the experiment, arguing that quantum mechanics needed no further experimental proof.“

Misschien maar even kort uiteenzetten wat de zogenaamde Bell test in principe inhoudt, de meer uitgebreide beschrijving vind je in mijn boek, hoofdstuk 5, “Het theorema van Bell”.

Het theorema van Bell

John Stewart Bell (1928-1990) publiceerde in 1964 wat nu het Bell theorema heet. Met dit theorema kan in principe experimenteel aangetoond worden of lokale variabe­len wel of geen rol spelen in kwantumverschijnselen. Lokale variabelen leg ik nu hier niet uit maar het betekent uiteindelijk dat de kwantumdeeltjes permanent bestaan gedurende hun reis van bron naar detector – zoals wij aannemen dat kogels permanent bestaan over hun hele traject van bron tot doel, en zelfs eigenlijk al daarvoor. Onthoudt dat. De experimentele opzet van een Bell experiment moet zodanig zijn dat sneller-dan-licht communicatie tussen verstrengelde objecten uitgesloten is.

De meeste Bell-tests zijn uitgevoerd met gepo­lariseerd licht – dat wil zeggen gepolariseerde fotonenparen. Een EM-golf bestaat uit een elektrische en een magnetische veld component, deze oscilleren loodrecht op elkaar en allebei oscilleren loodrecht op de richting waarin het licht reist. De trillingsrichting van de elektrische component van de EM-golf wordt de polarisatierichting genoemd. Een polarisatiefilter, zoals een polaroid bril, laat alleen licht door dat in een bepaalde richting trilt. Als het licht in onder schuine hoek ten opzichte van de oriëntatie van het filter oscilleert wordt maar een deel van het licht doorgelaten. Het gepasseerde licht trilt in de richting die het filter heeft afgedwongen. Als het invallende licht loodrecht op de richting van het filter trilt dan wordt er niets doorgelaten. Licht is een EM-golf maar die golf bestaat kwantumfysisch gezien uit massa’s fotonen die stuk voor stuk gepolariseerd zijn. Hoe we ons de polarisatie van een enkel foton moeten voorstellen is niet duidelijk en dat doen we dan ook maar niet.

Geen gehalveerde fotonen maar waarschijnlijkheden

Bij polarisatie geldt dat fotonen die niet precies in de richting van het polariserende filter trillen, bijvoorbeeld onder een hoek van 30^o, voor 50% doorgelaten worden maar daarbij niet gehalveerd worden. Hun frequentie wordt niet aange­tast, maar de waarschijnlijkheid dat ze door het filter heen gaan hangt wel af van de hoek die hun polarisatie maakt met de oriëntatie van het filter. Dus als ze lood­recht op die oriëntatie gepolariseerd zijn is de kans dat ze erdoorheen gaan nul. Onder een hoek van 45^o is de kans volgens de kwantummechanica dat ze door het filter komen ca. 71%. De fotonen die door het filter gaan zijn niet veranderd van energie, golflengte en frequentie. Ze zijn beslist niet gehalveerd. Het gaat dus puur om kansen.

De Bell test met gepolariseerde fotonen

De fotonen worden gedetecteerd (D+ of D-) en bij elke onderlinge hoek van de polarisators (A en B) worden de coïncidenties (tegelijk optredende detecties) en de hoek tussen A en B geregistreerd in de coïncidentiedetector. Volgens de behoudswetten van de fysica dienen de polarisatierichtingen van beide fotonen identiek te zijn indien ze als paar zijn gecreëerd.  Maar deze gezamenlijke polarisatie is wel weer een kwantummanifestatie bij meting en is dus volstrekt willekeurig bij detectie van een foton.

Spooky action at a distance?

Als het linker foton bij detectie een bepaalde polarisatie blijkt te hebben, dan moet het rechter foton op dat moment dezelfde polarisatie hebben aangezien ze als paar gecreëerd zijn. En dat is vreemd als hun polarisatie pas ‘echt’ bestaat bij detectie zoals de kwantummechanica lijkt te zeggen. Dat lijkt op onderlinge communicatie. Maar zodra je dat veronderstelt moet je je ook afvragen hoe die communicatie tussen die twee verloopt: “Hallo ik ben gemeten, nu moet jij onmiddellijk ook je polarisatie laten zien en wel dezelfde als die ik op dit moment laat zien”. Dat is Einstein’s “spooky action at a distance”.

Klassiek permanente deeltjes of materialisatie door observatie

Het gaat er dus bij het Bell experiment om of vastgesteld kan worden of de polarisatie van de fotonen al bestond vanaf het moment van hun creatie (klassieke permanente deeltjes) of dat ze pas ‘materialiseren’ op het moment van hun detectie (non-lokale kwantum interpretatie). Volgens de non-lokale kwantumtheorie moet, in­dien de twee polarisators ten opzichte van elkaar niet gelijk georiënteerd zijn, de correlatie tussen de polarisaties van de fotonenparen – de [D-/D-] of [D+/D+] coïncidenties – groter uitvallen dan de correlatie die de klassieke permanente deeltjes theorie voorspelt.

Die van de hoek afhankelijke correlatie tussen de coïncidenties kan voor beide theorieën, klassiek lokaal of non-lokaal kwantum, voorspeld worden. Het geniale van Bell was dat hij inzag dat verschillen tussen klassieke lokale en kwantumtheorie optraden indien de polarisators (A en B) andere hoeken met elkaar maakten dan 0^o, 90^o, 180^o of 270^o. Zie figuur voor de voorspellingen van de correlaties zoals berekend in beide theorieën. Zo laat de figuur zien dat voor bijvoorbeeld een hoek van 158^o tussen de twee polarisators de klassiek lokale verwachting voor de correlatie 0,75 (75%) zal zijn, maar voor de non-lokale kwantum verwachting zal dat 0,85 (85%) zijn.

Lokaliteit gefalsifieerd

Als de gemeten correlatie van alle coïncidenties bij die hoek van 158^o dus groter is dan 75% dan zijn lokale verborgen variabelen gefalsifieerd en is experimenteel bevestigd dat de polarisaties van beide fotonen pas ‘materialiseren’ bij meting in de D+ en D- detectoren. Op die manier kan aangetoond worden dat onderlinge communicatie met een snelheid die maximaal die van het licht is, in elk geval uitgesloten is en wordt de hypothese dat deeltjes pas bestaan bij detectie sterk bevestigd. Daarvoor is dus bij een Bell experiment vereist dat communicatie tussen de fotonen met maximaal de lichtsnelheid wordt uitgesloten.

Het betekent in elk geval dat er zeer hoge eisen aan Bell experimenten worden gesteld. Twee absolute eisen zijn:

• Communicatie met maximaal de lichtsnelheid dient uitgesloten zijn; dat betekent dat de onderlinge afstand van de detectoren links en rechts zeer groot moet zijn of het tijdsverschil tussen de coïnciderende detecties links en rechts juist zeer klein.
• Alle in het experiment verzonden fotonen dienen ook gemeten te zijn om te voorkomen dat er fotonparen die geen coïncidentie van dezelfde polarisatie vertonen buiten de meting vallen en daarmee de gemeten correlatie groter kunnen doen lijken.
• Alle fotonen dienen van een bron te zijn die uitsluit dat hun creatie afhankelijk zou kunnen zijn van de experimentatoren.

Het experiment van Anton Zeilinger in 2017 heeft volledig aan al deze eisen voldaan. Hij gebruikte sterrenlicht fotonen.

Wat nu? Wanneer bestaat iets?

Elke Bell test – zie de tijdlijn op Quanta Magazine – heeft tot nu toe met toenemende bewijskracht bevestigd dat de kwantumdeeltjes hun eigenschappen – zoals polarisatie – pas ‘krijgen’ bij detectie. Met andere woorden, ze bestaan niet materieel totdat ze gedetecteerd worden.

Dat is nogal wat. Zeker als je bedenkt dat de kwantumwetten beslist niet beperkt zijn tot het atomaire domein maar ook gelden voor objecten met afmetingen in de grootteorde die wij met onze eigen zintuigen kunnen waarnemen, of groter. Er bestaat geen enkel goed argument waarom de kwantumwetten niet meer zouden gelden op ons dagelijks ervaringsniveau. De maan bestaat pas bij detectie. Punt. Sorry, professor Einstein.

Nu kun je eens over de volgende vraag gaan nadenken: als de polarisatie van een foton pas bestaat op het moment van detectie, hoe kan een polaroid filter dan werken? Ik laat je hierover voorlopig zelf even piekeren.

Daarom moet je je ten diepste gaan afvragen wat detectie en observatie eigenlijk zijn en wat het betekent als je de deur van je huis achter je dichtdoet en er niemand meer in huis achterblijft. De inhoud van je huis bestaat niet materieel zolang er niemand kijkt. De waarschijnlijkheid dat de inhoud zich vrijwel precies weer materialiseert zoals je die had achtergelaten is 99,999999999% (of nog dichterbij 100% maar nooit precies 100%). Dat is weer geruststellend natuurlijk. Zolang we de rol die de waarnemer speelt niet erkennen blijft de interpretatie van de kwantumfysica een vraagstuk dat dringend om een oplossing vraagt. Dat is mijn mening, en daar sta ik zeker niet alleen in. Veel fysici zijn al overtuigd van de rol van de waarnemer in experimenten, zoals Carlo Rovelli bijna met zijn hypothese dat alle eigenschappen van objecten ook – net als snelheden dat nu al zijn – relatief zijn. Lees Bernardo Kastrup, ook volgens hem is de permanentie van materie een verkeerd beeld van de werkelijkheid.

In elk geval wordt kwantumverstrengeling nu als vaststaand aangetoond beschouwd en wordt tegenwoordig gezien als een kwantumfenomeen dat uiterst interessante toepassingen mogelijk maakt, zoals kwantumcomputers op basis van licht die nu door de Twentse startup Quix Quantum worden geleverd. Maar daarover in een volgend bericht.