Quantum interferentie

Quantum interferentie is een van de meest uitdagende principes van de quantum theorie. In essentie stelt het concept dat elementaire deeltjes niet alleen op meer dan één plaats kunnen zijn op een gegeven moment (door superpositie), maar dat een individueel deeltje, zoals een foton (lichtdeeltje) zijn eigen baan kan kruisen en kan interfereren met de richting van zijn pad. 

Debat over de vraag of licht in essentie deeltjes of golven zijn, dateert al van meer dan driehonderd jaar geleden. In de zeventiende eeuw beweerde Isaac Newton dat licht uit een stroom deeltjes bestond; in het begin van de negentiende eeuw bedacht Thomas Young het dubbele-spleetexperiment om te bewijzen dat het uit golven bestond. Hoewel de implicaties van Young's experiment moeilijk te aanvaarden zijn, heeft het door herhaalde proeven op betrouwbare wijze het bewijs van kwantuminterferentie geleverd. De bekende natuurkundige Richard Feynman beweerde dat de essentie van de kwantummechanica kon worden begrepen uit een verkenning van het dubbele spleet-experiment.

Voor deze variant van het experiment van Young wordt een lichtstraal gericht op een barrière met twee verticale spleten. Het licht gaat door de spleten en het resulterende patroon wordt op een fotografische plaat vastgelegd. Als één spleet bedekt is, is het patroon wat men zou verwachten: een enkele lichtlijn, uitgelijnd met de spleet die open is. Intuïtief zou men verwachten dat als beide spleten open zijn, het lichtpatroon dat feit zal weerspiegelen: twee lichtlijnen, uitgelijnd met de spleten. Wat er echter gebeurt, is dat de fotografische plaat volledig wordt gescheiden in meerdere lijnen van licht en donker in verschillende gradaties. Dit resultaat laat zien dat er interferentie plaatsvindt tussen de golven/deeltjes die door de spleten gaan, in wat ogenschijnlijk twee niet-kruisende banen zouden moeten zijn.

We zouden verwachten dat als de bundel fotonen voldoende wordt vertraagd om er zeker van te zijn dat de afzonderlijke fotonen de plaat raken, er geen interferentie zou kunnen zijn en het lichtpatroon twee lichtlijnen zou zijn, uitgelijnd met de spleten. In feite wijst het resulterende patroon echter nog steeds op interferentie, wat betekent dat de afzonderlijke deeltjes op de een of andere manier met zichzelf interfereren. Dit lijkt onmogelijk: we verwachten dat een enkel foton door de ene of de andere spleet gaat, en terechtkomt in een van de twee mogelijke gebieden met lichtlijnen. Maar dat is niet wat er gebeurt. Zoals Feynman concludeerde, gaat elk foton niet alleen door beide spleten, maar legt het gelijktijdig elke mogelijke baan af op weg naar het doelwit - niet alleen in theorie, maar in feite.

Om te zien hoe dit zou kunnen gebeuren, hebben experimenten zich gericht op het volgen van de paden van individuele fotonen. Wat er in dit geval gebeurt, is dat de meting op de een of andere manier de banen van de fotonen verstoort (in overeenstemming met het onzekerheidsprincipe van de kwantumtheorie), en op de een of andere manier worden de resultaten van het experiment wat de klassieke natuurkunde zou voorspellen: twee heldere lijnen op de fotografische plaat, uitgelijnd met de spleten in de barrière. Onderbreek echter de poging om te meten, en het patroon wordt weer een veelvoud van lijnen in verschillende gradaties van lichtheid en duisternis.

Kwantuminterferentie-onderzoek wordt toegepast in een groeiend aantal toepassingen, zoals het supergeleidende kwantuminterferentie-apparaat (SQUID), kwantumcryptografie en kwantumcomputing.