De kwantumwisser – een correctie

In het boek wordt het zogenaamde kwantumwisser experiment in hoofdstuk 7 uitgebreid beschreven. Daarover is recent nieuw inzicht ontstaan en dat wil ik u niet onthouden. Vandaar de volgende correctie op het boek.

Volgens bepaalde interpretaties van de kwantumfysica is de toestandsgolf niet-fysiek en bestaat het waargenomen deeltje pas fysiek bij meting in het meetinstrument. Dat houdt dus ook in dat de configuratie van het meetinstrument zoals die op het moment van de actuele meting is, bepaalt hoe het kwantumobject zich manifesteert, als deeltje of als golf. In interpretaties waar het deeltje wel over de hele weg bestaat zou het op het laatste moment wijzigen van het meetinstrument, wanneer het kwantumobject al voorbij de dubbele spleet is, geen effect meer mogen hebben. John Wheeler heeft daar uitgebreid over gefilosofeerd en experimenten voorgesteld die hierover uitsluitsel zouden kunnen geven. Dergelijke uitgestelde keus experimenten zijn uitgevoerd en bevestigen de aanname dat het deeltje pas materialiseert bij detectie. Een van die experimenten is het uitgestelde keus kwantumwisser experiment van Kim e.a. en dat experiment beschrijf ik ook in mijn boek in hoofdstuk 7. Uit dat experiment worden, heel kort geformuleerd, de volgende conclusies getrokken:

  • Informatie over de gepasseerde spleet doet het interferentiepatroon achter de dubbele spleet altijd verdwijnen.
  • Bij onherstelbaar wissen van die informatie door een derde halfdoorlatende spiegel is het interferentiepatroon weer terug.
  • Aangezien de laserfotonen pas na hun passage door de dubbelspleet ‘kiezen’ om wel of niet de informatie over de gepasseerde spleet prijs te geven, met andere woorden om zich te gedragen als deeltjes respectievelijk als golven kunnen we eigenlijk niet meer spreken van fotonen die als deeltjes een pad afleggen tenzij we effecten terug in de tijd (retrocausaliteit) accepteren.

Voor een uitgebreide beschrijving van het experiment en de conclusies verwijs ik naar mijn boek. Maar toen het boek al uit was ontdekte ik dat er een flinke interpretatiefout was gemaakt, door de uitvoerders van het experiment en die door mij is overgenomen. Misschien niet gek want het begrijpen van wat er precies gebeurt is behoorlijk complex. Toch wil ik proberen om die fout hier te corrigeren. Maar ik raad wel aan om het boek er nu even bij te pakken.

Detectie van het signaalfoton op D0 samenvallend met de D3 detectie.

Het foton wordt, na de spleet, door een dubbelbrekend kristal gesplitst in twee gepolariseerde fotonen. Een ervan, het signaalfoton, wordt gebruikt voor het tonen van interferentie, het andere, het idler foton, wordt gebruikt om te detecteren welke spleet werd gepasseerd. Indien die gedetecteerd wordt, detector D3, onderste spleet,  of D4, bovenste spleet, blijkt de interferentie verdwenen. Zie afbeelding rechts. Tot zover is alles in orde.

Maar het idler foton kan ook een weg kiezen die het door de kwantumwisser voert of juist daaraan reflecteert. Dat is een halfdoorlatende spiegel die zodanig is opgesteld dat het daarna niet meer te zeggen is welke weg het foton is gegaan. De detecties van het signaalfoton die corresponderen met detecties achter de kwantumwisser, detectoren D1 en D2, vertonen nu duidelijk interferentie. Zie afbeeldingen hieronder.

Detectie op D0 samenvallend met D1.
Detectie op D0 samenvallend met D2

Als we deze twee grafieken nu eens kritisch bekijken dan moeten we constateren dat ze elkaars complement zijn terwijl detectie door D1 of D2 geen verschil meer zou mogen maken. Eigenlijk zouden ze opgeteld moeten worden want een D1 of een D2 detectie maakt nu geen verschil meer aangezien de informatie gewist is. Maar als we dat doen is het resultaat min of meer vlak en zien we geen interferentie meer. Hoe komt dat?

Het pad van het idler foton via de kwantumwisser spiegel BSc

Bij nadere bestudering van de opzet van dit experiment valt wellicht op dat de kwantumwisser BSc eigenlijk vrijwel net zo geconfigureerd is als de vierde spiegel van een Mach-Zehnder interferometer. De kenmerkende eigenschap van zo’n interferometer is dat er interferentie ontstaat bij die vierde spiegel vanwege weglengteverschillen in de twee wegen die het licht of de kwantumgolf kan gaan. En nu zijn weglengteverschillen in de uitgestelde keus kwantumwisser opstelling niet te voorkomen omdat de hoek tussen signaalfoton en idler foton vast ligt maar de hoek waaronder het signaalfoton op de D0 detector valt niet. Wordt het signaalfoton op een andere positie (x) gemeten dan verandert ook de weg en dus de lengte die het idlerfoton linksom of rechtsom aflegt en verandert daardoor de interferentie na de laatste halfdoorlatende spiegel, de kwantumwisser. Juister gezegd, de verstrengelde kwantumtoestandsgolf verandert. Dat de samenvallende metingen van het signaalfoton (D0) en de detectoren achter de kwantumwisser (D1 en D2) nu per detector interferentie vertonen maar bij elkaar opgeteld niet meer, is nu hopelijk in te zien. Een tweede effect dat hier juist niet meer genegeerd mag worden is dat het merendeel van de fotonen naast de D0 detector terecht komt en er alleen maar met de D1 of D2 detector samenvallende detecties geteld worden. Juist die corresponderende detecties zijn dan zeldzaam geworden maar dat valt niet meer op.

Kortom, niet de interferentie van het signaalfoton wordt gemeten maar die van het idlerfoton. Uit dit kwantumwisser experiment mag dus niet de conclusie getrokken worden dat de interferentie van het signaalfoton weer verschijnt bij het onherstelbaar wissen van de informatie over het pad.

Gelukkig zijn er nieuwere en betere experimenten uitgevoerd, zoals de Mach-Zehnder interferometer met koude heliumatomen en ook een veel geavanceerdere kwantumwisser van Giulino Scarcelli e.a. met ‘two-photon imaging’ uit 2007 die wat de experimentatoren en ook wat mij betreft hebben bevestigd dat er niet gesproken mag worden van een foton dat een weg aflegt. Er is beslist alleen maar een niet-fysieke kwantumtoestandsgolf totdat de meting is uitgevoerd.

De experimentatoren maakten gebruik van het feit dat de toestandsgolf van de twee fotonen één enkele golf is waardoor de toestandsgolf van het idler foton als het ware de doorgang van het signaalfoton door de fysieke dubbele spleet weerspiegelt in een ‘ghost’ beeld ervan. Dat ‘ghost’ beeld kan dan gebruikt worden om te kijken bij de spleet zonder het signaalfoton te meten.

Over dit laatste kwantumwisser experiment uit 2007 nog de volgende opmerking: ook hier wordt de informatie over de gekozen spleet uiteindelijk achter de spleet maar nog wel vóór detectie gewist door een halfdoorlatende spiegel die er voor zorgt dat een door het objectieve toeval bepaalde helft van de fotonen de informatie over hun weg door de dubbele spleet zullen moeten prijsgeven. Die 50-50 verdeling wordt verzorgd door de halfdoorlatende spiegel NPBS.

De toestandsgolf van de twee fotonen vormt een ‘ghost’ beeld van de spleet in de lens L. Dat beeld wordt dan weer afgebeeld door de lenzen LT en LR. De grootte van de openingen PT en PR bepalen of via de detector D2 gezien kan worden door welke ‘ghost’ spleet het idler foton ging.

Wat ik eigenlijk nog mis is een uitvoering van een dergelijk experiment waarbij nog duidelijker wordt dat het om informatie gaat. Als het namelijk alleeen om het onherroepelijk wissen van informatie gaat kan dat net zo goed achter de detectoren, elektronisch gestuurd middels een QNRG, gebeuren. Het effect zou identiek moeten zijn – de interferentie verschijnt. De opzet van een dergelijk experiment is zelfs optisch gezien een stuk eenvoudiger.

Resultaat kwantumwisser 2007. Vierkante blokjes geven het patroon indien de informatie niet is gewist, de rondjes indien dat wel is gebeurd. Een duidelijk interferentiepatroon.