Kwantummechanica en thermodynamica leken niet tegelijkertijd waar te kunnen zijn. In een nieuwe publicatie gebruiken UT-onderzoekers fotonen in een optische chip om aan te tonen hoe beide theorieën toch tegelijkertijd waar kunnen zijn. Ze publiceerden hun resultaten recent in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
In de kwantummechanica kan de tijd worden omgedraaid en blijft informatie altijd behouden. Dat wil zeggen dat de eerdere staat van deeltjes altijd terug te vinden is. Lang was onbekend hoe dit tegelijkertijd met thermodynamica waar kon zijn. Daar heeft tijd juist wel een richting en kan informatie ook verloren gaan. “Denk maar aan twee foto’s die je te lang in de zon legt, na verloop van tijd kun je ze niet meer van elkaar onderscheiden”, legt auteur Jelmer Renema uit.
Er was al een theoretische oplossing voor deze kwantumpuzzel en zelfs al een experiment met atomen, maar nu hebben de UT-onderzoekers het ook met fotonen aangetoond. “Fotonen hebben als voordeel dat het vrij eenvoudig is om daarmee de tijd om te draaien”, verklaart Renema. In het experiment gebruikten de onderzoekers een optische chip met kanaaltjes waar de fotonen doorheen konden. Aan het begin konden ze precies bepalen hoeveel fotonen er in elk kanaaltje zaten, maar daarna husselen de fotonen door elkaar.
Link magazine juni/juli 2023. Thema: Groot maar toch wendbaar. Lees Link magazine digitaal of vraag een exemplaar op bij mireille.vanginkel@linkmagazine.nl
Verstrengeling van deelsystemen
“Toen we naar de individuele kanalen keken, voldeden ze aan de wetten van de thermodynamica en bouwden ze wanorde op. Op basis van metingen aan één kanaal wisten we niet hoeveel fotonen er nog in dat kanaal zaten, maar het totale systeem klopte met de kwantummechanica’, aldus Renema. De verschillende kanalen – ook wel deelsystemen – waren met elkaar verstrengeld. De missende informatie in het ene deelsysteem ‘verdwijnt’ naar het andere deelsysteem.
Dr. Jelmer Renema is assistant professor in de onderzoeksgroep Adaptive Quantum Optics. Hij is ook één van de uitgelichte wetenschappers van de Universiteit Twente. Hij deed het onderzoek met een team met onder andere de onderzoeksgroep van Prof. Dr. Jens Eisert van de Freie Universität Berlin, die een belangrijk aandeel leverden in het aantonen van de reversibiliteit van het experiment. Hun artikel getiteld ‘Quantum simulation of thermodynamics in an integrated quantum photonic processor’ publiceerden ze recent in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
