Wetenschappers kijken stiekem naar Schrödinger's katten
Quantumdeeltjes hebben de bijzondere eigenschap in verschillende toestanden tegelijkertijd te kunnen verkeren, maar volgens de grondregels van de quantummechanica verliezen ze die toestand zodra je een meting uitvoert. Wetenschappers van de TU Delft hebben een manier gevonden om dit fenomeen te omzeilen en quantumtoestand bovendien gericht te manipuleren. Dit resultaat is van groot belang voor de ontwikkeling van de quantumcomputer, die complexe rekenproblemen extreem veel sneller kan oplossen dan de huidige supercomputers. De bevindingen van de Delftse onderzoekers worden deze week gepubliceerd in Nature. Het onderzoek werd grotendeels gefinancieerd door NWO en FOM.
Schrödingers Kat
Dat quantumdeeltjes hun quantummechanische karakter verliezen zodra je een meting uitvoert is vooral bekend door 'Schrödingers Kat'. De beroemde grondlegger van de quantummechanica deed het volgende gedachtenexperiment: zet een kat in een doos met daarin een buisje vergif en een schakelaar op basis van een quantumdeeltje. Deze denkbeeldige schakelaar heeft daardoor het bijzondere vermogen om tegelijk 'aan' en 'uit' te staan; dus is de kat in de doos tegelijkertijd dood en levend. Pas als je in de doos kijkt, dwing je de natuur tot een keuze en zal de kat dood of levend zijn; de uitkomst is willekeurig.
In de doos kijken
Wetenschappers van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft, onder leiding van Leonardo DiCarlo, publiceerden op 17 oktober in Nature over een methode om in Schrödingers doos te kunnen kijken en tóch een quantumtoestand te behouden. Daarnaast zijn ze in staat om die quantumtoestand te meten en indien gewenst te corrigeren, zodat de uitkomst niet meer willekeurig is.
Erwin en Niels
Het Delftse team gebruikte daarvoor twee quantumbits (qubits), de bouwstenen van de quantumcomputer. In de analogie van Schrödinger stelt elke qubit een kat voor en dus stopten ze dus niet één, maar twéé katten in de doos: "Laten we ze voor het gemak even Erwin en Niels noemen", vertelt DiCarlo. ‘Er zijn volgens de quantumleer dan vier toestanden die tegelijk bestaan: Erwin en Niels zijn dood, Erwin en Niels leven, Erwin is dood maar Niels leeft en andersom. Zodra je in de doos kijkt, heeft elke uitkomst 25 procent kans. Wij kunnen nu dus echter in de doos kijken en vaststellen of enerzijds hun lot hetzelfde is, allebei dood of levend, of anderzijds de éne dood is en de ander leeft. Erwin en Niels zijn na die waarneming in alle gevallen nog steeds tegelijkertijd dood en levend, en dus behouden we door de meting nog steeds een quantumtoestand. Alleen zijn er nu nog maar twee uitkomsten mogelijk, niet meer vier."
Feedback control
De uitkomst van de meting is nog steeds willekeurig, geheel volgens de wetten van de quantummechanica, maar de wetenschappers gingen een stap verder. DiCarlo: "Als we nog even bij de katten blijven: als bij de meting zien dat Niels en Erwin dat er één dood is en één levend, dan kunnen we de toestand in de doos veranderen zodat ze samen dood/levend zijn. Ook daarbij behouden we nog steeds de quantumtoestand: ze zijn nog steeds dood en levend tegelijk, maar we kunnen de uitkomst zo beïnvloeden dat ze hun lot hetzelfde is".
De onderzoekers ontwikkelden daarvoor een methode die gebruik maakt van feedback control. Dat was voor qubits tot twee jaar geleden praktisch ondenkbaar. Tot voor kort behielden zulke circuits hun quantumgedrag nauwelijks een miljoenste van een seconde lang. ‘Vorderingen bij supergeleidende qubits hebben deze tijd met een factor 10-100 vergroot, zodat we eindelijk de feedback loop snel genoeg konden sluiten’, zegt de eerste auteur van de Nature-publicatie, FOM-onderzoeker Diego Ristè.
Quantumcomputer
Deze methode is belangrijk voor de ontwikkeling van de quantumcomputer, waaraan een grote groep wetenschappers in Delft momenteel hard werkt. FOM-werkgroepleider Yaroslav Blanter verklaart: "Het grote probleem van quantumbits is dat ze na een tijd vanzelf hun quantumtoestand verliezen. Er is een methode waarmee deze toestand toch behouden kan blijven: met behulp van quantum-foutencorrectie. Ons experiment demonstreert voor het eerst cruciale stappen die nodig zijn om quantum-foutencorrectie te realiseren en quantumtoestanden zo lang als nodig te behouden". De volgende stap voor het team is om binnen vijf jaar een quantum-geheugen met twintig qubits te realiseren waarin fouten worden gecorrigeerd.
Andere auteurs van de Nature-publicatie zijn M. Dukalski (FOM), C.A. Watson, G. de Lange, M.J. Tiggelman, R.N. Schouten, allen werkzaam aan de TU Delft, en K.W. Lehnert, van de University of Colorado en NIST. Ondersteuning voor het onderzoek kwam van NWO, FOM, de Europese FP7 projecten SOLID en SCALEQIT, en DARPA.
Contact
Dr. Leonardo DiCarlo, +31 (0)68 324 78 83.
Homepage
Video
Wetenschapsjournalist Bruno van Wayenburg maakte een animatie over deze publicatie.