De kat in zijn dodelijke kistje (afb: Wiki Commons)

Om het fenomeen superpositie uit te leggen verzon de Duitse natuurkundige Erwin Schrödinger het verhaal van de kat in een kist met radioactieve stof die bij verval van een atoom zorgt voor de vergiftiging van de kat. Zo lang de kist gesloten is kan de kat zowel dood als levend zijn. Pas bij waarneming (het openen van de kist) is er achter te komen of de kat dood of levend is, maar de superpositie (dood en levend) vervalt met die waarneming. Dupliceer die kist en zaag die combinatie doormidden en de kat is zowel dood als levend, lieten onderzoekers rond Chen Wang van de Yale-universiteit (VS) zien. Dat idee zou gebruikt kunnen worden voor stabielere kwantumbits, denken de onderzoekers. De al lang in het voorzicht gestelde kwantumcomputer zou met die wetenschap weer een stukje dichterbij verwerkelijking zijn gekomen.
Het experiment dat de Yale-onderzoekers hadden bedacht werd niet uitgevoerd met een echte kat, maar met elektromagnetische golven, die als ‘invaller’ werden gebruikt voor Schrödingers kat. Kwantumdeeltjes kunnen tegelijkertijd in twee posities verkeren, de kattoestanden ‘dood’ en ‘levend’ zou je kunnen zeggen. Dat is dan de superpositie. Die verdwijnt bij waarneming (als je in de kist kijkt).
Microgolffotonen kunnen in een kattoestand worden gebracht. Normaal oscilleren elektromagnetische golven in sterkte. Het is mogelijk een antigolf te creëren, waarmee je de twee kattoestanden hebt gecreëerd die ogenschijnlijk tegelijk tegengestelde dingen doen.
“Een mechanisch analogon zou een slinger zijn die tegelijkertijd naar links en rechts zwaait”, zegt Wang.
Het experiment gaat een stap verder. De onderzoekers maakten twee aluminium ‘kistjes’ (microholtes) waar de fotonen in werden gevangen. Vervolgens verbonden ze de kistjes door een ‘pijpje’: een saffierschilver met een aluminiumcircuit dat elektrische signalen doorgeeft. Dat stukje saffier was een soort aan/uit-knop. Als die op ‘aan’ gezet werd dan oscilleerden de microgolven bij een andere frekwentie dan als de knop op ‘uit’ stond. Omdat we het over een kwantumwereld hebben, is het mogelijk dat het de ‘knop’ zowel op ‘aan’ als op ‘uit’ staat. Wang: “Als dat gebeurt dan hebben beide ‘kistjes’ twee oscillatiefrekwenties tegelijk.” De magische truc is dan de boel doormidden te zagen en aan te tonen dat die twee ‘kistjes’ nog steeds verbonden zijn met een hele, halflevende kat verdeeld over de twee kistjes, zo’n beetje als de assistent van de goochelaar die, net doormidden gezaagd, vriendelijk blijft lachen en zwaaien. Wang: “Je kunt altijd vragen: ben je dood of levend, maar dat vertelt je niet of er een superpositie is of dat je een situatie krijgt met half de kans op een dode en half op een levende kat.” In plaats daarvan stelde de onderzoekers de vraag die de kattoestand zou verklappen zonder die te verstoren. Ze maten het aantal fotonen in elk kistje, wetende dat de kattoestanden van de elektromagnetische golven altijd een even aantal fotonen telt. Afzonderlijk gemeten rolden er soms even soms oneven getallen uit, maar bij elkaar waren die altijd even. “Dat betekent dat als je twee kistjes samenvoegt je de werkelijke kattoestand krijgt.”

Kwantumcomputers

Het idee van Wang c.s. is niet splinternieuw. Serge Haroche kreeg de Nobelprijs voor het idee een een microgolfholte (‘kistje’) te maken de Nobelprijs, maar Wang c.s. voegden daar iets aan toe (het verbinden van de twee holtes). Het belang van zijn onderzoek ziet Wang vooral in het dichterbij brengen van de kwantumcomputers. Verstrengelde microholtes zouden de redelijk stabiele bouwstenen van een toekomstige kwantumcomputer kunnen zijn die zou kunnen rekenen/’denken’ met de snelheid van het licht.
Wang is nu bezig of ‘zijn’ holtes zijn te gebruiken als kwantumbits. Die zijn wel wat groter dan andere voorgestelde kwantumbits, in de orde van 1 cm, maar aanzienlijk stabieler. De kattoestanden zouden kunnen helpen de fouten te corrigeren die ontstaan in de kleine, uiterst gevoelige kwantumcomponenten. Overigens heb ik me altijd afgevraagd waarom Schrödinger zijn kat niet in een glazen kist opsloot of zou de superpositie van de kat alleen maar bestaan als die niet waarneembaar is (daarbij hoop ik dat ik niet al te veel onzin in dit artikel heb gedebiteerd)?

Bron: New Scientist