Kunnen we kwantumcorrelaties zien op macroscopische schaal?

Bell non-lokaliteit, of het feit dat de voorspellingen van de kwantummechanica door geen enkele lokale (klassieke) theorie kunnen worden verklaard, is een van de meest fundamentele aspecten van de kwantumfysica. Dit heeft diepgaande filosofische implicaties en verstrekkende gevolgen op het gebied van kwantuminformatie.

In ons dagelijks leven echter lijken macroscopische dingen te functioneren volgens de normen van de klassieke natuurkunde, en zijn de verbanden die wij waarnemen lokaal. Is dit werkelijk het geval, of hebben we reden om daaraan te twijfelen? Wetenschappers van de Universiteit van Wenen en het Instituut voor Quantum Optica en Quantum Informatie (IQOQI) van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen hebben onlangs een artikel gepubliceerd in Physical Review Letters waarin zij aantonen dat de wiskundige structuur van de quantumtheorie volledig behouden kan blijven in de macroscopische limiet. Dit zou kunnen resulteren in macroscopische waarnemingen van kwantum-non-lokaliteit.

Macroscopische systemen gehoorzamen, volgens onze gewone ervaring, aan de klassieke natuurkunde. Bijgevolg is het niet meer dan natuurlijk om aan te nemen dat de kwantummechanica in staat moet zijn om de klassieke mechanica in de macroscopische limiet te reproduceren. Het correspondentieprincipe, dat in 1920 door Bohr werd vastgesteld, staat hierom bekend. Het grofkorreligheidsmechanisme is een eenvoudig argument waarom de kwantumfysica plaatsmaakt voor de klassieke mechanica: als metingen aan macroscopische systemen een beperkte resolutie hebben en geen afzonderlijke microscopische deeltjes kunnen onderscheiden, gedragen de bevindingen zich traditioneel.

Wanneer deze redenering wordt uitgebreid tot (niet-lokale) Bell-correlaties, leidt dit tot het macroscopische lokaliteitsprincipe. Quantum contextualiteit reduceert tot macroscopische niet-contextualiteit, en temporele quantum correlaties vallen terug tot klassieke correlaties (macroscopisch realisme). Hoewel er geen algemene demonstratie was, werd algemeen aangenomen dat de overgang van kwantum naar klassiek universeel is. Laten we het voorbeeld van kwantum-non-lokaliteit gebruiken om onze stelling aan te tonen.

Veronderstel dat Alice en Bob twee verre waarnemers zijn die de sterkte van de correlatie tussen hun lokale systemen willen bepalen. Stel je voor dat Alice haar kleine quantumdeeltje meet en Bob hetzelfde doet met het zijne, en dan hun waarnemingsresultaten combineert om de overeenkomstige correlatie af te leiden. Zij moeten het experiment een groot aantal malen herhalen om het gemiddelde van de correlaties te verkrijgen, omdat hun resultaten intrinsiek willekeurig zijn (zoals altijd het geval is bij kwantumexperimenten). De IID-aanname (independent and identically distributed) stelt dat elke run van het experiment moet worden herhaald onder precies dezelfde omstandigheden en onafhankelijk van andere runs.

 

Bij het willekeurig opgooien van munten, bijvoorbeeld, moeten we ervoor zorgen dat elke opgooi eerlijk en onbevooroordeeld is, wat resulteert in een meetbare kans van (ruwweg) 50% voor kop/staart na een groot aantal herhalingen. Bij de huidige aanwijzingen voor de reductie tot klassiek in de macroscopische limiet is zo’n aanname van cruciaal belang. Macroscopische experimenten daarentegen houden rekening met clusters van kwantumdeeltjes die opeengepakt zijn en gemeten worden met een beperkte resolutie (coarse-graining). Omdat deze deeltjes met elkaar interageren, is het niet natuurlijk om te geloven dat correlaties op microscopisch niveau verdeeld zijn in eenheden van onafhankelijke en identieke paren. Als dat het geval is, wat gebeurt er dan als we de IID-aanname niet maken? Is het nog steeds mogelijk om tot de klassieke natuurkunde terug te keren wanneer er een enorm aantal deeltjes is?

Miguel Gallego (Universiteit van Wenen) en Borivoje Daki (Universiteit van Wenen en IQOQI) hebben onlangs aangetoond dat quantumcorrelaties kunnen overleven in de macroscopische limiet, zelfs als correlaties niet IID verdeeld zijn op het microscopische samenstellende niveau.

“Wanneer we te maken hebben met een groot aantal microscopische systemen, is de IID-aanname onnatuurlijk. Kleine quantumdeeltjes hebben veel interactie, en quantumcorrelaties en -verstrengeling zijn overal aanwezig. Wij herwerkten eerdere berekeningen in het licht van dit scenario en waren in staat om volledig kwantumgedrag op macroscopische schaal aan het licht te brengen. Dit is een directe schending van het correspondentieprincipe, en er vindt geen overgang naar classiciteit plaats”, beaamt Borivoje Daki.

De auteurs tonen aan dat in de limiet de volledige wiskundige structuur van de kwantumtheorie (b.v. de regel van Born en het superpositiebeginsel) behouden blijft door fluctuatie-waarneembaarheden (afwijkingen van verwachtingswaarden) en een bepaalde klasse van verstrengelde veellichamelijke toestanden (niet-IID-toestanden) te beschouwen. Zij gebruiken dit verschijnsel, dat zij macroscopisch quantumgedrag noemen, om te bewijzen dat Bell non-lokaliteit vertoont in de macroscopische limiet. “Het is ongelooflijk dat macroscopische kwantumregels bestaan. We hoeven alleen maar fluctuaties en afwijkingen van voorspelde waarden in macroscopische systemen te detecteren om quantumverschijnselen te zien. Dit opent naar mijn mening de weg voor nieuwe experimenten en toepassingen “beaamt Miguel Gallego.

Deel dit