Wereldwijd zijn natuurkundigen op zoek naar theorieën die kwantumfysica en de ruimtetijd van Einstein combineren. Onderzoekers van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen (ÖAW) hebben nu een belangrijk verband ontdekt op het gebied van kwantumcorrelatie.
Het essentiële principe bij alle fysieke interacties is lokaliteit. Dit stelt dat een natuurkundig systeem alleen kan interageren met systemen in de directe omgeving. Bij systemen op afstand moet er een bemiddelend medium zijn. Een principe dat begrepen kan worden als je kijkt naar mobiel telefoneren, bijvoorbeeld, waarbij data wordt verzonden via elektromagnetische golven om zo in contact te kunnen komen met de persoon aan de andere kant van de lijn.
Vierde dimensie: ruimtetijd
Kwantumfysici van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en de Universiteit van Wenen onderzochten het principe van lokaliteit wat betreft het verband tussen kwantummechanica en ruimtetijd. Ruimtetijd is het begrip van de zwaartekracht dat voortkomt uit Albert Einstein’s algemene relativiteitstheorie. Het verenigt de drie ruimtelijke dimensies met de vierde dimensie van de tijd (verleden, heden, toekomst).
Alice en Bob
De onderzoekers keken naar correlatie op basis van twee onafhankelijk verkregen meetresultaten. In het begin werd er geen rekening gehouden met de vierde dimensie: Het uitgangspunt was de driedimensionale ruimte, waarin twee fictieve waarnemers – Alice en Bob – twee afzonderlijke componenten van een natuurkundig systeem onderzoeken. De studieruimte van Alice is begrensd (region of space) en die van Bob ligt buiten deze begrensde ruimte. Alice en Bob zijn synoniemen voor afzender en ontvanger van informatie. Ze worden gebruikt om natuurkundige verklaringen te vereenvoudigen.
Foto hierboven: Correlaties op basis van kwantumverstrengeling worden ook wel quantumcorrelaties genoemd. Meetresultaten bij verschillende verstrengelde (interactieve) subsystemen worden met elkaar in verband gebracht, d.w.z. afhankelijk van het meetresultaat van het ene subsysteem is er een gewijzigde kansverdeling voor de mogelijke meetresultaten bij de andere subsystemen.
De entropische oppervlaktewet
De entropische oppervlaktewet (area law) is een essentiële wet in de kwantumfysica. Het stelt dat de correlatie tussen de meetresultaten van Alice en Bob evenredig is met de oppervlakte van het grensvlak. Maar niet met het volume, zoals je misschien zou kunnen aannemen bij de driedimensionale ruimte.
In navolging van de entropische wet hebben de wetenschappers het scenario onderzocht vanuit het perspectief van de vierde dimensie, de tijd. Alice voert haar metingen uit in een afgebakende ruimte binnen een bepaalde periode. Bob meet buiten dit bereik en heeft op ieder moment toegang tot iedere plek. In deze simulatie van ruimtetijd wilden ze uitzoeken welke rol het grensgebied tussen Alice en Bob betekent voor de correlatie van de meetresultaten.
Een belangrijk verband
Ze kwamen tot de conclusie dat de entropische oppervlaktewet ook van toepassing is bij ruimtetijd. In de veronderstelling dat het lokaliteitsprincipe van kracht is, betekent dit dat de objecten lokaal met elkaar interageren. Ook wanneer rekening wordt gehouden met de dimensie van tijd, neemt de correlatie tussen de meetresultaten van Alice en Bob toe in verhouding tot de oppervlakte van het grensvlak. Het volume heeft ook bij ruimtetijd geen invloed op de mate van correlatie.
Časlav Brukner, teamleider aan het Instituut voor Kwantumoptica en Kwantuminformatie van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en een van de auteurs van de studie, beschouwt deze bevinding als een stap dichterbij een uniforme theorie voor de wereld van de quantumfysica en zwaartekracht. Citaat: “We zijn er dus in geslaagd om een belangrijk verband te vinden tussen kwantumcorrelatie en ruimtetijd.”
Publicatie in Journal Quantum Information
Kull, I./ Allard Guérin, P./ Brukner, Č. (2019): A Spacetime Area Law Bound on Quantum Correlations. Nature Partner Journal Quantum Information. (Open Access)
DOI: 10.1038/s41534-019-0171-x
Ook interessant:
Quantum computing en quantum interfaces uitgelegd
Best gelezen: als klikcijfers de toekomst voorspellen…
Oostenrijkse natuurkundigen ontwikkelen interface voor kwantumcomputer
Nauwkeurige datering van gletsjerijs met kwantumfysica
