Kwantummechanica is voor een mens van vlees en bloed lastig te vatten. Einstein zei ooit eens dat als iemand beweerde dat hij de kwantummechanica begreep hij/zij er niks van had begrepen. Een groep onderzoekers, waaronder Stephanie Wehner van de TU Delft, heeft aannemelijk gemaakt dat twee kwantummechanische ‘onbegrijpelijkheden’ (het golf/deeltjeskarakter van kwantumdeeltjes en het onzekerheidsprincipe twee kanten van dezelfde medaille zijn.

“De verbinding tussen de onzekerheid van plaats en snelheid en de dualiteit komt er als heel vanzelfsprekend uit als je die zaken beschouwt als vragen wat je over het systeem komt te weten. Dit resultaat toont de kracht van het denken over natuurkunde gezien vanuit de informatie”, zegt Wehner. Het deeltje/golf-karakter gaat om het idee dat een kwantumdeeltje zich als een golf kan gedragen, maar dat dat golfkarakter verdwijnt zodra je het deeltje probeert te lokaliseren. Dat is goed waar te nemen in een dubbelespleetproef, als afzonderlijke deeltjes (in dit geval elektronen) een voor een worden afgevuurd op een plaat met twee smalle spleten. De deeltjes ‘stapelen zich op’ voor de spleten, niet in twee ‘hopen’ zoals in de klassieke mechanica, maar in een streperig patroon dat je verwacht te krijgen bij het wisselwerken van golven (interferentie). Tenminste, dat gebeurt er totdat je er achter probeert te komen wanneer een bepaald elektron zo’n spleet passeert. Dan verdwijnt die interferentie.
Het onzekerheidsprincipe zegt dat het onmogelijk is tegelijkertijd twee grootheden van een deeltje exact te kennen. Zo is het niet mogelijk tegelijk de snelheid en de positie van een kwantumdeeltje exact vast te stellen. Dit principe is een grens aan de fundamentele kenbaarheid van de natuur. Het heeft niets met meetvaardigheid te maken. Het onderzoek leert dat hoeveel je te weten kunt komen over het golf- of deeltjeskarakter van een kwantumdeeltje dezelfde beperking heeft.
De dualiteit en de onzekerheid zijn al sedert het begin van de twintigste eeuw kwantummechanisch gemeengoed. De onderzoekers stellen dat wat nu het resultaat is voor hen een soort gevoel was. Het is mogelijk kwantumvergelijkingen op te schrijven die vertellen hoeveel je te weten kunt komen over paren eigenschappen die ‘last’ hebben van het onzekerheidsprincipe. Wehner en haar medeonderzoekers schijnen speciaal kundig te zijn op dat gebied, dat werkt met ‘entropische onzekerheidsrelaties’. Ze ontdekten dat al die wiskunde die hierbij te pas komt om de dualiteit te beschrijven kunnen worden geherformuleerd in termen van deze relaties. “Het was alsof de steen van Rosetta hadden ontdekt, die twee talen verbond”, zegt medeonderzoeker Patrick Coles van de universiteit van Waterloo in Canada. “De literatuur over dualiteit was als de hiëroglyfen die we konden omzetten in de eigen taal.” Omdat de ‘entropische onzekerheidsrelaties’ die de onderzoekers gebruikten in hun ‘vertaling’ ook is gebruikt om de veiligheid van kwantumkryptografie te bewijzen, denken ze dat het huidige onderzoek zou kunnen inspireren om nieuwe kryptografische protocollen te ontwikkelen. In eerder onderzoek vonden Wehner en haar medeonderzoekers verbanden tussen het onzekerheidsprincipe en de niet-localiseerbaarheid en de tweede wet van de thermodynamica, die zegt dat de chaos (=entropie) de neiging heeft steeds groter te worden. De volgende klus voor de onderzoekers is te bekijken hoe ze die puzzelstukjes bij elkaar passen in een groter beeld van de natuur.

Bron: Eurekalert