Complementarity Test with Unmeasured, Permanently Inaccessible Path Markers

In de kwantumwereld lijken de regels van de werkelijkheid vaak te draaien om een enkele, paradoxale vraag: weet een deeltje welk pad het heeft genomen? Wanneer een foton, een minuscuul pakketje licht, door een apparaat met twee mogelijke routes reist, gedraagt het zich als een golf, waarbij het uitwaaiert en met zichzelf interfereert om een patroon van heldere en donkere banden te creëren. Dit golfachtige gedrag vormt de kern van de kwantummechanica. Echter, als er enige informatie bestaat die zou kunnen onthullen welke specifieke route het foton heeft gekozen, verdwijnt dat golfachtige patroon en gedraagt het deeltje zich als een solide object, dat slechts één pad neemt. Dit principe, bekend als complementariteit, suggereert dat het universum ons verbiedt om zowel de golfaard als de deeltjesaard van licht tegelijkertijd te zien. Decennia lang hebben natuurkundigen dit idee getest, maar een subtiele twijfel bleef bestaan. In elk vorig experiment werd de "marker" die het pad van het foton registreerde, uiteindelijk betrapt, gemeten of geabsorbeerd door een detector of de omgeving. Zelfs als die meting later plaatsvond, was de informatie nooit echt verloren gegaan; het bleef binnen het bereik van de fysieke wereld. Dit liet een mazen in de wet open: misschien besluit het universum pas de golfpatronen te vernietigen zodra die padinformatie daadwerkelijk ergens wordt vastgelegd, in plaats van dat het simpelweg in principe bestaat.

Een team onderzoekers aan de University of California, Santa Barbara, heeft die mazen nu gedicht met een experiment waarbij de padinformatie voor altijd wordt weggestuurd. Ze creëerden paren verstrengelde fotonen, waarbij één foton, het signaalfoton genoemd, in een laboratorium-interferometer bleef om een interferentiepatroon te creëren, terwijl zijn partner, het idler-foton, het enige dossier droeg van welke route het signaalfoton had gekozen. In plaats van het idler-foton te vangen, lanceerden de onderzoekers het omhoog vanaf een dak, waardoor het op een traject recht de ruimte in werd gestuurd. Ze berekenden dat 73 tot 82 procent van deze gelanceerde fotonen voor altijd zou reizen zonder ooit een stofdeeltje, een gaswolk of een detector te raken. Voor deze specifieke fotonen zou het verslag van het pad ongemeten en permanent ontoegankelijk blijven, terwijl ze met de snelheid van het licht wegdriften van het laboratorium. Als het instorten van de golffunctie afhankelijk was van het feit dat de padinformatie werd vastgelegd, zou het interferentiepatroon van het signalfoton veranderd moeten zijn wanneer zijn partner werd weggestuurd. Maar toen de onderzoekers de gegevens analyseerden, zagen ze geen enkele verandering. De signalfotonen bleven zich als golven gedragen, volledig onverstoorbaar door het feit dat hun partners in de kosmos verdwenen.

Het experiment steunde op een nauwkeurige opstelling met een laser die verstrengelde fotonparen genereerde en een complex systeem van spiegels en vezels. Het signalfoton reisde door een vertragingslijn en een Mach–Zehnder-interferometer, een apparaat dat licht in twee paden splitst en ze vervolgens weer samenbrengt. Het idler-foton reisde via een aparte vezel naar een station op het dak. Hier konden de onderzoekers ervoor kiezen om het idler-foton te vangen om het pad te controleren, de padinformatie te wissen, of het de lucht in te lanceren. In de cruciale testruns werd het idler-foton omhoog gelanceerd. Het team modelleerde de reis van deze fotonen door de atmosfeer, de Melkweg en de enorme leegte tussen de sterrenstelsels. Hun berekeningen toonden aan dat de reis voor het merendeel van deze fotonen ongehinderd zou verlopen. Ze zouden niet verstrooien, niet worden geabsorbeerd of een spoor achterlaten in de omgeving. Dit betekende dat voor deze overlevende fotonen de padinformatie in de kwantumtoestand was gecodeerd, maar nooit een fysiek verslag in het universum werd.

De onderzoekers hielden de signalfotonen in de gaten op elk teken dat de lancering hun gedrag had veranderd. Ze zochten naar een specifiek type interferentierand dat zou verschijnen als de padinformatie op een bepaalde manier "verloren" zou zijn gegaan, waardoor het golfpatroon zou worden hersteld. Na zes uur aan gegevens te hebben verzameld en miljoenen detectiegebeurtenissen te hebben geanalyseerd, vonden ze geen statistisch significante verandering. De signalfotonen gedroegen zich precies zoals de standaard kwantumtheorie voorspelde, ongeacht of hun partners werden gemeten of werden weggestuurd. Het team berekende dat als er een lancatie-geïnduceerde verandering zou zijn opgetreden, deze met hoge zekerheid zichtbaar zou zijn geweest. In plaats daarvan was de bovengrens voor een dergelijk effect minder dan 16 procent van wat verwacht zou worden als het golfpatroon volledig zou zijn teruggekeerd. Dit resultaat bevestigt dat de loutere mogelijkheid om het pad te kennen niet genoeg is om interferentie te vernietigen; in plaats daarvan blijft de interferentie bestaan zolang de padinformatie ongemeten en causaal losgekoppeld is van de rest van het universum.

Deze bevinding adresseert een langdurig debat over wanneer en hoe kwantumsystemen de overgang maken van een vage superpositie van mogelijkheden naar een definitieve realiteit. Sommige theorieën suggereerden dat het universum wellicht wacht tot een verslag wordt gevormd, zelfs als dat verslag in de verre toekomst wordt gevormd of door een verre gebeurtenis. Door te garanderen dat de padmarker naar een plek werd gestuurd waar geen toekomstige gebeurtenis er ooit bij zou kunnen komen, testten de onderzoekers de grenzen van dit idee. Het feit dat het interferentiepatroon ongewijzigd bleef, suggereert dat de kwantumtoestand niet wacht op een meting om in te storten. In plaats daarvan wordt het golfgedrag bepaald door de gezamenlijke toestand van het verstrengelde paar, en als de marker ongemeten en ontoegankelijk blijft, blijft de interferentie bestaan. Het experiment bewijst niet dat het universum deterministisch is of dat verborgen variabelen niet bestaan, maar het sluit wel een specifieke klasse van theorieën uit waarbij de ineenstorting van de golffunctie afhangt van de causale toegankelijkheid van de padinformatie.

De betekenis van dit werk ligt in het vermogen om de handeling van het coderen van informatie te isoleren van de handeling van het meten ervan. In eerdere experimenten werd de padmarker altijd gemeten, zelfs als de meting na de detectie van het signaal plaatsvond. Deze nieuwe opstelling zorgde ervoor dat voor een groot deel van de fotonen de marker helemaal niet werd gemeten. De onderzoekers beweerden niet een nieuwe kracht of een nieuw deeltje te hebben gezien, maar bevestigden eerder een fundamentele voorspelling van de kwantummechanica onder omstandigheden die nog nooit eerder waren getest. Het resultaat is een stille maar krachtige bevestiging dat de kwantumwereld werkt volgens regels die consistent blijven, zelfs wanneer ze tot de rand van het waarneembare universum worden gedreven. De fotonen die de lucht in zijn gelanceerd, vervolgen hun reis en dragen hun ongemeten geheimen met zich mee, terwijl het laboratorium beneden onveranderd blijft, met zijn interferentiepatronen intact.

De conclusie van het team is gebaseerd op de gegevens die zij hebben verzameld, die geen afwijking van het standaardmodel lieten zien. Zij vonden geen bewijs dat de handeling van het lanceren van de fotonen ervoor zorgde dat het signaal anders ging gedragen. De bovengrens die zij stelden voor een potentieel effect was klein genoeg om de gedachte te weerleggen dat het universum wacht tot een verslag wordt gevormd voordat het beslist over het lot van de interferentie. Dit betekent niet dat de vraag hoe de kwantummechanica verbinding maakt met de realiteit volledig is opgelost, maar het verwijdert een specifieke onzekerheid die in het vakgebied rondhing. Het experiment demonstreert dat zolang de padinformatie werkelijk verloren is aan het universum, de golfaard van het deeltje blijft bestaan. Het is een test van de grenzen van de kwantummechanica, en tot nu toe houdt de theorie stand. De onderzoekers hebben aangetoond dat het universum geen bewuste waarnemer of een fysiek verslag vereist om het delicate evenwicht van kwantuminterferentie te behouden; het vereist alleen dat de informatie buiten bereik blijft.