Een uitgestelde keus Mach-Zehnder experiment

Terug in de tijd effecten?

Wanneer het foton de dubbele spleet of de eerste beamsplitter in de Mach-Zehnder passeert, is er nog een zeer korte tijd voordat het de detector raakt. Afhankelijk van de configuratie van je experiment zul je al dan niet interferentiebanden zien. Als je het Mach-Zehnder experiment zo configureert – open configuratie – dat je informatie kunt krijgen over het pad van het foton, verdwijnen de interferentiebanden. Als je het experiment weer terug configureert – gesloten configuratie – zodat de informatie over het pad niet meer wordt gemeten, verschijnen de interferentiebanden opnieuw. Natuurkundige John Wheeler stelde nu de volgende intrigerende vraag:

'Wat gebeurt er als je de configuratie verandert van gesloten – golfgedrag - naar open – deeltjesgedrag - tussen het moment dat het foton zijn keuze maakte welk pad het zou gaan en het moment van detectie? Zal het zijn gedrag dan veranderen volgens de op het laatste moment veranderde configuratie bij detectie? Dat zou een terug in de tijd effect zijn!

Reality Doesn’t Exist Until We Measure It,
Quantum Experiment Confirms (Science Alert 2015)

Fotonen zijn razendsnel. Zo snel als het licht. Als je de opzet van je experiment wilt veranderen in de tijd tussen het moment dat het foton zijn keuze van pad of spleet maakt en het moment van detectie, moet je creatief en slim denken. In 2015 gebruikten Australische natuurkundigen langzaam bewegende heliumatomen in plaats van fotonen omdat bewegende atomen ook golfgedrag en dus interferentie vertonen.

De Australische onderzoekers creëerden een atomaire analoog van de optische Mach-Zehnder-interferometer. Ze vervingen de fotonen door koude heliumatomen en de spiegels door laserpulsen die het atoom op zo’n manier raakten dat het zijn koers veranderde op zijn weg naar de detector, op een manier die analoog is aan een foton dat op een spiegel valt en reflecteert. Ook de faseverandering bij reflectie van een foton in een spiegel werd door de laserpuls slim nagebootst. In de onderstaande figuur is hun opstelling rechts afgebeeld (b) zodat ze vergeleken kan worden met de optische Mach-Zehnder links afgebeeld (a). Het atoom beweegt hier van boven naar beneden en wordt gedetecteerd op de DLD-detector bij [0> of [1>.

Australisch uitgesteld keuze-experiment met koude atomen. Het is een atomaire versie van de optische Mach-Zehnder. Links de optische Mach-Zehnder, rechts de atomaire versie.

De π/2 laserpulsen – de violette pijlen – zijn de atomaire analogen van een foton dat een beamsplitter raakt. 50% van de atomen die worden geraakt, veranderen dus van koers, wat de atomaire analoog van reflectie op een beamsplitter is. De andere 50% zal niet van koers veranderen, wat de atomaire analoog is van een foton dat door de beamsplitter gaat.

De π laserpulsen – gouden pijlen – zijn de atomaire analogen van volledige spiegels. Alle atomen worden ‘gereflecteerd’.

Omdat de π/2 laserpuls analoog is aan een beamsplitter, is het niet toepassen ervan analoog aan het verwijderen van de laatste beamsplitter. Het al dan niet afvuren van die laatste π/2 laserpulsen wordt geregeld door een Quantum Random Number Generator (QRNG). Dit betekent dat het voortsnellende atoom niet van tevoren kan ‘weten’ of de laatste ‘beamsplitter’ er zal zijn.

  • Als de laatste beamsplitter aanwezig is – gesloten configuratie, de π/2 laserpuls wordt afgevuurd – moet de detectie interferentie vertonen, wat betekent dat elk atoom altijd op [0> terecht komt. Interferentie betekent dat het atoom golfgedrag vertoont en geen bewegend deeltje is.
  • Als de laatste beamsplitter er niet is – open configuratie, de π/2 laserpuls wordt niet afgevuurd – zal de detectie geen interferentie vertonen en zullen de atomen in een fifty-fifty-verdeling op [0> en [1>] terechtkomen. In dat geval vertoont het geen golfgedrag en gedraagt ​​het zich als een bewegend deeltje.

To be or not to be

De beslissing om als een golf of als een deeltje te reizen, moet worden genomen bij de eerste beamsplitter, maar deze beslissing hangt af van of de laatste beamsplitter geplaatst is – golf – of niet geplaatst is – deeltje. Dat is een effect terug in de tijd.

De uitkomst van het Australische experiment is dat het gedrag van de atomen – wel of geen interferentie – altijd in lijn is met de wel of geen ‘aanwezigheid’ van de laatste beamsplitter. Zie onderstaande figuur. De rode curve geeft de hitratio weer wanneer de laatste beamsplitter ‘aanwezig’ was. De hitratio, die wordt weergegeven door de rode curve, variëert afhankelijk van een extra toegevoegd faseverschil – Δφ. Dit is duidelijk golfgedrag.

De blauwe rechte lijn geeft de treffers op [0> weer wanneer de laatste beamsplitter niet ‘aanwezig’ was. Dat is dichtbij de 50%, dus een even grote andere helft komt aan op [1>. Een extra toegevoegd faseverschil heeft duidelijk geen invloed op de hitratio, beide detectoren worden altijd gelijkmatig geraakt. Er is nu geen interferentie.

Resultaat van een experiment met koude atomen. Als er geen extra faseverschil wordt toegevoegd en het gekozen pad onbekend is, komen alle atomen bij detector [0> aan. Als het gekozen pad bekend is, raken de atomen in een 50/50 verdeling de detectoren [0> en [1>] onafhankelijk van een toegevoegd faseverschil.

Hoe verklaren we deze uitkomst? We hebben wat mij betreft deze drie opties:

  • Het atoom kent de status van de laatste beamsplitter in de nabije toekomst en past zijn gedrag daarop aan.
  • Het atoom verandert zijn gedrag met terugwerkende kracht in de tijd, afhankelijk van de aanwezigheid van de laatste beamsplitter, op het moment dat hij die bereikt.
  • Het atoom, zijn golf- of deeltjesgedrag en zijn detectie worden pas manifest op het moment van detectie. Het bestaat niet als een deeltje vóór de meting, maar alleen als een mogelijkheidsgolf.

De laatste optie is – hoewel in strijd met onze stellige indruk van een wereld van permanente objecten – naar mijn mening het minst ongeloofwaardig. Als dit slechts een enkel op zichzelf staand experiment was, zouden we dit resultaat misschien nog steeds kunnen negeren, ondanks de wetenschappelijke en academische status van de onderzoekers. Er zijn echter andere experimenten die dezelfde resultaten laten zien, zoals de twee-foton kwantumwisser.

Vervolg hier je rondleiding in de kwantumfysica: “Detectie door een ‘spook’foton“.