Kwantumsystemen zijn heel kwetsbaar. Zelfs de kleinste storing kan de boel al in elkaar doen stuiken. Nu hebben onderzoekers van onder meer de TU Delft laten zien dat twee gekoppelde atomen zich niets aantrekken van een elektronenbombardement. Dat is goed nieuws voor de ontwikkelaars van kwantumcomputers, maar zorgt ook voor discussie in dekwantumenergiewereld.
Decoherentie (instabiliteit) is een groot probleem voor mensen die kwantumsystemen willen gebruiken voor toepassingen in, bijvoorbeeld, de computer. Kwantumtoestanden zijn nogal snel ‘van de kook’. Om iets met kwantumsystemen te kunnen doen zou je die toestanden waar je gebruik van wil maken extreem goed moeten afschermen en dat kan wel eens een onoverkomelijke praktische hindernis vormen.
“Systemen in de kwantummechanica zijn, anders dan in de klassieke natuurkunde, wat hun eigenschappen betreft niet scherp bepaald”, zegt Markus Ternes van het onderzoekscentrum in Jülich (D) en de TH Aken. “Ze kunnen zich tegelijkertijd in verschillende toestanden bevinden. Dat heet superpositie. Die superpositie gaat teloor zodra het systeem gemeten wordt.”
Dat maakt het experiment dat in Delft is uitgevoerd nogal verbazingwekkend. Met behulp van een nieuwe methode constateerden de onderzoekers dat twee gekoppelde atomen ‘vrolijk’ kwantuminformatie uitwisselden, heen en weer schakelend tussen de kwantumtoestanden als een soort flipflops.
“Elk atoom heeft een klein magnetische moment, spin genoemd”, zegt Sander Otte van de TU Delft, die het experiment leidde. “Die beïnvloeden elkaar zoals kompasnaalden als je ze te dicht bij elkaar brengt. Als je de een een ‘duw’ geeft dan bewegen ze gezamenlijk op een heel specifieke manier.”
Die informatieuitwisseling tussen atomen zou opmerkelijke gevolgen kunnen hebben. Verschillende vormen van kwantumtechnologie vinden daarin hun basis. Een klassiek voorbeeld is de supergeleiding.

Rastertunnelmicroscoop

Om die wisselwerking te kunnen waarnemen gebruikten Otte en zijn collega’s’= een rastertunnelmicroscoop. Ze plaatsten twee titaanatomen op een afstand van 1 nm (eenmiljoenste millimeter) van elkaar. Op die afstand voelen ze elkaars spin. Als je een van die twee atomen een slinger geeft, dan begint het ‘gesprek’ vanzelf.

Dat deden ze met behulp van radiogolven. Zo worden bijvoorbeeld kwantumbits geprogrammeerd/bestuurd. Het is alleen een beetje jammer dat het een traag proces is. Zodra je het ene atoom een slinger hebt gegeven begint het andere al te reageren. Op die manier is het onmogelijk te constateren wat er gebeurt als je de spin in verschillende richtingen plaatst.
Dus verzonnen de onderzoekers iets heel anders. Ze keerden de spin van een van de atomen om met behulp van een elektrische puls. Tot grote verbazing van de onderzoekers resulteerde die grove aanpak in een prachtig kwantum’gesprek’. Tijdens zo’n puls wordt dat atoom bestookt met elektronen. Otte: “We gingen er echter van uit dat daardoor de delicate kwantuminformatie, de coherentie, verloren gaat. Die elektronen zijn incoherent. Elk elektron voorafgaand aan de botsing is een tikje verschillend en die chaos wordt overgebracht op de atoomspin. Weg coherentie.”

Kwantumprincipes

Dat blijkt dus niet waar te zijn. Dat zou dan betekenen dat elk willekeurig elektron een superpositie teweeg kan brengen. Dat die elektronen met hun omgeving verbonden zijn via hun geschiedenis is dan kennelijk niet belangrijk. Dat zou in strijd zijn met het principe uit de kwantummechanica dat meting superpositie vernielt.
Ternes ziet dat anders. “Dat hangt van het perspectief af. Het elektron keert de spin laten we zeggen naar links. Dat kun je als een meting zien waarmee het kwantumgeheugen wordt gewist, maar als je het bekijkt van het systeem dat uit twee atomen bestaat dan is het resultaat helemaal niet zo vreemd. Voor twee atomen is de nieuwe toestand een perfecte superpositie, die die atomen onderling kunnen uitwisselen. Wezenlijk daarvoor is dat de twee spins verstrengeld raken.”

De ontdekking zou nogal wat kunnen betekenen voor de ontwikkeling van echte kwantumcomputers. Otte en de zijnen zijn daar echter helemaal niet mee bezig. Ze achten dit experiment een beginpunt. Nu hebben ze twee atomen genomen, maar wat gebeurt er als je er drie, tien of duizend neemt? Dat valt met geen supercomputer te berekenen. Met een kwantumcomputer misschien?

Bron: EurekAlert