De kwantumsimulator die werkt met ‘vast licht’ (afb: Phys. Review X)

Een kop moet de aandacht trekken. Dat zou bovenstaande kop zeker moeten doen, want er staat eigenlijk iets idioots. Hoezo vast licht en snuffelen aan onoplosbare problemen lijkt weinig zinvol. Toch hebben onderzoekers van de universiteit van Princeton (VS)  en de Technische hogeschool in Zürich (ETHZ) iets dergelijks gedaan. Ze hebben fotonen (lichtdeeltjes) opgesloten. Dat is het ‘vaste licht’. Met dat ‘vaste licht’ zouden allerlei leuke toepassingen en materialen te bedenken zijn(zoals het ‘rekenen’ aan onoplosbare vraagstukken (in afwachting van een echte kwantumcomputer).
De onderzoekers hebben licht gekristalliseerd, heet het. Licht omgezet in een ‘kristal’ of beter gezegd: fotonen opgesloten. “Dat is nog nooit vertoond”, zegt onderzoeker Andrew Houck. “Dit is nieuw gedrag van licht.” Met dat opgesloten licht zouden leuke dingen te doen zijn, zoals het ontwikkelen van nieuwe materialen, maar de onderzoekers mikken toch vooral op het oplossen van vraagstukken op het gebied van vastestoffysica. “Waar we naar toe willen is het onderzoeken en uiteindelijk sturen van de energiestroom op atoomniveau”, zegt medeonderzoeker Hakan Türeci. “Het doel is om materialen en processen beter te begrijpen en materialen te kunnen beoordelen die we nog niet kunnen maken.”
Het Princeton-onderzoek maakt deel uit van een groter programma waarin gezocht wordt naar antwoorden op fundamentele vragen over atoomgedrag door een apparaat te maken dat het gedrag van subatomaire deeltjes kan nabootsen. Een dergelijk apparaat lijkt onontbeerlijk omdat die antwoorden met de huidige computers niet te achterhalen zijn (aha, dat wordt bedoeld met ‘onoplosbaar’). Dat komt deels doordat de huidige computers werken volgens de regels van de klassieke mechanica. De wereld van de atomen en fotonen behoort echter tot de vreemde wereld van de kwantummechanica. In die wereld hebben te maken met vreemde verschijnselen als verstrengeling. Dat zou, zo stelt het persbericht van Princeton, de mogelijkheden van klassieke computers met kwantumsystemen beperken. De kwantumcomputer zou daar beter mee overweg moeten kunnen, maar ondanks de Canadese D-Wave-computers, waarvan gezegd wordt dat het kwantumcomputers zijn, lijkt het nog wel enige tijd te duren alvorens zo ding er ook echt staat (en werkt, uiteraard).

Bij gebrek aan die vurig gewenste kwantumcomputer gokken de onderzoekers van Princeton op een andere aanpak: een systeem dat kwantumgedrag kan nabootsen. Het lijkt een beetje op het oplossen van vraagstukken op het gebied van vliegtuigontwerp door het model in een windtunnel te testen in plaats van aan dat ontwerp te rekenen. Die simulator zou ook materiaal kunnen ’testen’ dat er nog helemaal niet is. Om hun kwantumequivalent van de ‘windtunnel’ te maken, creëerden de onderzoekers supergeleidende materialen bestaand uit 100 miljard atomen die tezamen als één ‘kunstmatig atoom’ fungeerden. Dat ‘kunstmatige atoom’ plaatsten ze in de buurt van supergeleidend draad die fotonen bevatte. Op grond van rare kwantummechanische regeltjes (niks is natuurlijk raar, maar wel onbegrijpelijk voor simpele stervelingen) krijgen die fotonen bepaalde eigenschappen van dat ‘kunstmatige atoom’. Normaal wisselwerken fotonen niet met elkaar, maar in dit systeem gebeurt dat wel, alsof het echte deeltjes zijn. Darius Sadri van het Princeton-team: “Deze wisselwerkingen leiden tot volledig nieuw gedrag voor licht, dat lijkt op gedrag van vloeistoffen of kristallen.” Het licht gedraagt zich in het systeem dat de onderzoekers gebouwd hebben als een ‘echte’ materie. Türeci: “In een opzet klotst het licht heen en weer als een vloeistof, in een ander bevriest het. Het apparaat is relatief klein, met twee plaatsen waar het kunstmatige atoom en de supergeleidende draad bij elkaar komen, maar volgens de onderzoekers is het systeem simpel uit te breiden om ingewikkelder systemen te simuleren, van een enkel molecuul tot een ‘volwassen’ materiaal.

Bron: Eurekalert