Violation of Bell-type Inequality in the Hanbury Brown-Twiss (HBT) Toy-Model: Quantum Correlations beyond Local-Realism

Licht wordt al lang begrepen als een golf, die door de ruimte rimpelt als een verstoring in een vijver. Decennialang beschreven wetenschappers het gedrag ervan met de vertrouwde wetten van de klassieke fysica, waarbij ze het behandelden als een continu elektromagnetisch veld. Echter, halverwege de twintigste eeuw kwam een diepere laag van de werkelijkheid aan het licht toen onderzoekers beseften dat licht zich ook gedraagt als een stroom van discrete deeltjes genaamd fotonen. Deze dubbele natuur leidde tot het vakgebied van de kwantumoptica, dat onderzoekt hoe licht interageert met materie op het meest fundamentele niveau. Een van de beroemdste experimenten in dit veld is het Hanbury Brown en Twiss-effect, een techniek die oorspronkelijk werd ontworhen om de grootte van verre sterren te meten. Door twee detectoren ver uit elkaar te plaatsen en te meten hoe de helderheid van sterlicht in unisono fluctueert, ontdekten astronomen dat licht een statistische persoonlijkheid bezit die de klassieke fysica niet volledig kon verklaren. Dit effect onthulde dat fotonen in groepen kunnen arriveren of elkaar kunnen vermijden, gedragingen die hinten naar een diepere, vreemdere verbinding tussen deeltjes. Vandaag de dag blijft de vraag: kunnen deze optische opstellingen een dieper soort verbinding onthullen, bekend als non-lokaliteit, waarbij deeltjes elkaar instantaan over de ruimte beïnvloeden en daarmee het idee tarten dat alles verklaard moet worden door lokale, verborgen oorzaken?

In een recente studie onderzochten onderzoekers aan het Indian Institute of Science Education and Research Mohali deze vraag met behulp van een vereenvoudigde versie van het beroemde ster-metende experiment. De oorspronkelijke opstelling voor het Hanbury Brown en Twiss-effect is complex en omvat acht verschillende paden die het licht kan afleggen terwijl het van twee bronnen naar twee detectoren reist. Om de wiskunde beheersbaar te maken zonder de essentiële fysica te verliezen, construeerde het team een gestroomlijnd model met slechts vier paden. Ze stelden zich twee lichtbronnen voor, die elk een speciaal soort kwantumtoestand uitzenden, bekend als een twee-modus squeezed vacuüm. Deze toestanden zijn geen gewoon licht; het zijn zorgvuldig voorbereide kwantumbronnen waarbij de eigenschappen van het licht op een manier aan elkaar gekoppeld zijn die de klassieke fysica niet kan repliceren. De onderzoekers leidden deze bundels door een reeks spiegels, straalsplitsers en polarisatoren, waarbij ze de reis van het licht in het oorspronkelijke experiment nabootsten, maar binnen een gecontroleerd, theoretisch kader. Het doel was om te zien of de correlaties tussen het licht dat bij de twee detectoren aankomt, een specifieke wiskundige regel kunnen breken die bekend staat als een Bell-type ongelijkheid. Deze regel fungeert als een grenslijn: als de metingen binnen de lijn blijven, kunnen de resultaten worden verklaard door een klassieke wereld waarin alles wordt bepaald door lokale, verborgen factoren. Als de metingen de lijn overschrijden, bewijst dit dat het licht echte kwantum-non-lokaliteit vertoont.

Het team kwam tot de ontdekking dat hun vereenvoudigde model die grens inderdaad overschreed. Toen ze de gegevens analyseerden die door hun vier-modus systeem werden gegenereerd, overtraden de correlaties tussen de detectoren de ongelijkheid, wat aantoonde dat het licht zich op een manier gedroeg die geen enkele klassieke beschrijving kon verklaren. Deze schending trad specifiek op wanneer de lichtbronnen werden voorbereid in een 'squeezed state', een conditie waarin de onzekerheid in de eigenschappen van het licht wordt verminderd onder de standaard kwantumlimiet. De onderzoekers observeerden dat het effect het sterkst was wanneer beide bronnen op een overeenkomende manier werden 'squeezed', maar ze ontdekten ook iets verrassends: zelfs als één bron werd 'squeezed' en de andere een standaard, klassiek-achtige toestand behield, produceerde het systeem nog steeds een schending. Dit suggereert dat de optische componenten in de opstelling, die fungeren als een mixer, in staat waren om de twee afzonderlijke bundels te verstrengelen, waardoor ze in één enkele, non-lokale kwantumtoestand werden geweven. De studie keek ook naar wat er gebeurt als het licht niet perfect zuiver is maar enige thermische ruis bevat, wat een warmere omgeving simuleert. Ze vonden dat de non-lokale verbinding standhield, zelfs bij eindige temperaturen, hoewel de sterkte van de schending geleidelijk afnam naarmate de temperatuur steeg.

Deze resultaten bevestigen dat de Hanbury Brown en Twiss-opstelling niet alleen een hulpmiddel is voor het meten van sterrenformaties of het tellen van fotonen, maar een krachtig platform om de fundamenten van de werkelijkheid te testen. Door het experiment terug te brengen naar de essentie, lieten de onderzoekers zien dat de vreemde, non-lokale kenmerken van de kwantummechanica robuust genoeg zijn om te overleven in een vereenvoudigde optische opstelling. Het werk benadrukt dat de grens tussen de klassieke wereld die wij zien en de kwantumwereld die daaronder ligt, geen rigide muur is maar een doorlaatbare lijn die met het juiste soort licht kan worden overgestoken. Hoewel de studie vertrouwde op theoretische berekeningen in plaats van een fysiek experiment op een werkbank, biedt de wiskundige strengheid van het model een duidelijk stappenplan voor toekomstig onderzoek. Het suggereert dat zelfs in een systeem met slechts vier lichtpaden, het universum zijn meest contra-intuïtieve geheimen kan onthullen, waarmee bewezen wordt dat de kwantumnatuur van licht geen fragiele curiositeit is, maar een fundamenteel kenmerk van hoe de wereld werkt.