Can a Measurement Be Undone? Recovering the State of a Measured Microscopic System with a Reversible Measuring Apparatus

In de kwantumwereld wordt de handeling van het meten van iets vaak beschreven als een gewelddadige onderbreking. Voordat een meting plaatsvindt, kan een minuscuul deeltje zich in een staat van superpositie bevinden, waarbij het effectief op twee plaatsen of in twee toestanden tegelijk bestaat. Dit is een delicate, onzichtbare harmonie die coherentie wordt genoemd. Echter, op het moment dat we proberen uit te zoeken in welke toestand het deeltje verkeert, lijkt deze harmonie te versplinteren. Het deeltje "stort in" naar een enkele, definitieve toestand, en het vermogen om op twee plaatsen tegelijk te zijn, verdwijnt. Decennialang hebben natuurkundigen gedebatteerd over de vraag of deze ineenstorting een fundamentele natuurwet is — een harde stop waarbij de realiteit een keuze afdwingt — of dat het slechts een illusie is, veroorzaakt door het feit dat het meetapparaat verstrengeld raakt met het deeltje. Als dat laatste waar is, en als de wetten van de fysica perfect omkeerbaar zijn, dan zou de verloren harmonie herstelbaar moeten zijn als we de meting op de een of andere manier zouden kunnen ongedaan maken en het meetapparaat naar zijn oorspronkelijke staat zouden kunnen terugbrengen.

Een nieuw voorstel van Peter Renkel van The MathWorks suggereert een manier om dit direct te testen. Het idee is om een meetapparaat te bouwen dat omkeerbaar is, één dat informatie over een microscopisch deeltje kan opslaan en vervolgens kan worden schoongemaakt, zodat het precies terugkeert naar hoe het was voordat de meting begon. Als de standaard kwantummechanica het volledige verhaal is, zou het microscopische deeltje zijn verloren harmonie moeten herwinnen zod르게 de apparatuur wordt gereset. Maar als een mysterieus fysisch proces ervoor zorgt dat de ineenstoring permanent plaatsvindt, zelfs nadat het apparaat is gereset, zal de harmonie gebroken blijven. Dit experiment beoogt die permanente breuk te vangen, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen een omkeerbare verstrengeling en een onomkeerbare ineenstorting van de realiteit.

Het voorgestelde experiment maakt gebruik van een specifieke opstelling met twee zeer verschillende objecten: een enkel, minuscuul molecuul en een geladen nanodeeltje. Het molecuul fungeert als het microscopische systeem, dat wordt voorbereid in een superpositie van twee interne toestanden. Omdat deze twee toestanden licht verschillende elektrische eigenschappen hebben, oefenen ze verschillende krachten uit op het nabijgelegen nanodeeltje. Terwijl het molecuul met het nanodeeltje interageert, beweegt het nanodeeltje als reactie, waardoor het effectief registreert in welke toestand het molecuul verkeerde. Deze beweging is de meting; het nanodeeltje houdt nu de "welke-toestand"-informatie vast.

Cruciaal is dat het onderzoekers hier niet stoppen om het resultaat af te lezen. In plaats daarvan stellen de onderzoekers een precieze sequentie van krachten voor die het nanodeeltje langs een pad leidt dat zijn beweging ongedaan maakt. Het nanodeeltje wordt teruggebracht naar zijn exacte startpositie en impuls, waardoor de zojuist opgeslagen informatie wordt gewist. In de taal van de fysica wordt het meetapparaat hersteld naar zijn toestand voorafgaand aan de meting. Als het universum de standaard kwantumregels volgt, zou het molecuul er niet om geven dat het gemeten en daarna weer "niet-gemeten" is; de oorspronkelijke kwantumharmonie van het molecuul zou terugkeren, en het zou zich gedragen alsof de interactie nooit heeft plaatsgevonden.

Als er echter een fysisch ineenstortingsmechanisme bestaat — één die de kwantumcoherentie permanent vernietigt op het moment dat informatie wordt gecreëerd — zal het molecuul de harmonie niet volledig herstellen. Zelfs als het nanodeeltje is gereset, zal het molecuul een "litteken" van de meting behouden, wat wijst op een permanent verlies van harmonie. Het experiment is ontworpen om dit kleine, resterende verlies te detecteren. Door deze cyclus van meting en omkering honderdduizenden keren te herhalen, hopen de onderzoekers te zien of er een kleine, onverklaarde hoeveelheid coherentie ontbreekt.

Het artikel schetst een concreet ontwerp voor deze test met behulp van een molecuul dat lijkt op calciumhydroxide en een geladen nanodeeltje. Het molecuul wordt in een val gevangen gehouden, en het nanodeeltje hangt in de buurt. Tijdens een enkele cyclus die ongeveer 4,19 milliseconden duurt, beweegt het nanodeeltje genoeg om de twee toestanden van het molecuul duidelijk te onderscheiden, waardoor de informatie effectief wordt vastgelegd. Vervolgens keert het systeem om, waarbij het nanodeeltje teruggebracht wordt naar een nul-verplaatsing. De onderzoekers berekenen dat als ze deze cyclus 500.000 keer uitvoeren, ze een verliespercentage van zo klein als 5,51 per seconde kunnen detecteren. Deze gevoeligheid zou hen in staat stellen een nieuwe, directe limiet te stellen aan theorieën die een permanente ineenstorting voorspellen, zoals Continuous Spontaneous Localization, een model dat suggereert dat zwaartekracht of massa ervoor zorgt dat kwantumtoestanden afbreken.

De betekenis van deze aanpak ligt in de directheid ervan. Eerdere experimenten hebben geprobeerd ineenstorting af te leiden door te kijken naar bijwerkingen, zoals onverwachte verhitting of straling uitgezonden door instortende deeltjes. Dit voorstel kijkt daarentegen naar het meetproces zelf. Het stelt een eenvoudige, operationele vraag: als we informatie in een machine opslaan en die informatie vervolgens wissen door de machine terug te brengen naar de oorspronkelijke staat, herstelt het kwantumsysteem zich dan? Het antwoord op deze vraag hangt niet af van de details van een specifieke theorie, maar van de fundamentele aard van hoe informatie en realiteit met elkaar interageren.

De onderzoekers erkennen dat het bouwen van een dergelijk apparaat een uitdaging is. Het vereist extreme controle over elektrische velden en het vermogen om het nanodeeltje stabiel te houden terwijl het beweegt en terugkeert. Ze hebben de noodzakelijke voorwaarden in kaart gebracht, inclusief de noodzaak om afleidende elektrische velden te elimineren die de signalen van een ineenstorting zouden kunnen nabootsen. Ze merken ook op dat hoewel hun ontwerp een specifiek molecuul en nanodeeltje gebruikt, de logica van toepassing is op elk systeem waarbij een microscopisch object een groter, mesoscopisch object kan duwen en dat object vervolgens weer teruggeduwd kan worden.

Als dit experiment wordt uitgevoerd en geen residuverlies vindt, zou dit sterk bewijs leveren dat de kwantummechanica compleet is en dat de ineenstorting van de golffunctie niet een fysisch evenement is, maar een gevolg van hoe wij met de wereld interageren. Als het wel een verlies vindt, zou dat een revolutionaire ontdekking zijn, die bewijst dat er een fundamentele, onomkeerbare limiet is aan hoeveel informatie kan worden gewist, zelfs in een perfect gecontroleerde laboratoriumsetting. Voor nu staat het artikel als een gedetailleerd blauwdruk voor een test die eindelijk kan beslissen of de kwantumwereld werkelijk ongedaan kan worden gemaakt.