Holte-kwantumelektrodynamica in beeld (afb: univ. van Chicago)

Wetenschappers zouden een verrassend eenvoudige manier hebben gevonden om krachtige kwantumtoestan-den te creëren door een eenvou-dige aanpassing aan het standaard-kwantumsysteem. En weer wordt er gespeculeerd over de nabije toekomst van allerlei geweldige en stabiele kwantumtechnieken. Die simpele aanpassing aan een standaard kwantumsysteem zou krachtige en stabiele nieuwe kwantumtoestanden kunnen ontsluiten voor ultraprecieze sensoren en toekomstige kwantumtechnologieën.
De truc bleek te bestaan uit kleine aanpassingen aan de energieniveaus van atomen in een optische holte. Daar zou een breed scala aan sterk verstrengelde toestanden zijn te verwezenlijken zonder dat daar ingewikkelde systemen voor nodig zijn.
Veel van de meestbelovende kwantumtechnologieën, waaronder geavanceerde sensoren en toekomstige kwantumrekenaars, zijn afhankelijk van een fenomeen dat bekend staat als verstrengeling, waarbij deeltjes tot op grote afstand met elkaar verbonden raken en elkaar beïnvloeden op manieren die niet verklaard kunnen worden door de klassieke natuurkunde. Het creëren van de complexe verstrengeling is lang niet eenvoudig en vereist ingewikkelde systemen.
Onderzoekers van de universiteit van Chicago hebben nu een veel eenvoudigere aanpak voorgesteld. Hun nieuwe (theoretische) methode kan een breed scala aan verstrengelde kwantumtoestanden genereren en controleren met behulp van instrumenten die al gangbaar zijn in veel kwantumfysicalabs. Het werk zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van ultraprecieze kwantumdetectie en nieuwe mogelijkheden bieden voor het verkennen van fundamentele natuurkunde.
“We wilden eenvoudige ingrediënten die je in veel fysieke platforms vindt, op een minimale manier samenvoegen om iets interessants, complex en krachtigs te creëren”, zegt Aashish Clerk.

De aanpak is gebaseerd op holte-kwantum-elektrodynamica (holte-KED). Bij deze experimenten worden atomen of andere deeltjes in een optische holte geplaatst, die bestaat uit twee spiegels die licht ertussen opsluiten. De deeltjes wisselwerken vervolgens met het opgesloten licht in de holte.
Een beperking van veel holte-KED-systemen is dat alle atomen op exact dezelfde manier met het licht interageren. Aangezien de atomen in feite niet van elkaar te onderscheiden zijn, is het bereik van de kwantumtoestanden die kunnen worden geproduceerd beperkt. Clerk: “De uitdaging is altijd geweest dat deze systemen te veel symmetrie hebben. Alle atomen communiceren op dezelfde manier met licht. Dat beperkt enorm wat voor soort verstrengelde toestanden je kunt krijgen.”
In een typische holte-`KED-opstelling heeft elk atoom een ​​grondtoestand en een aangeslagen toestand, gescheiden door een energiekwantumverschil. De onderzoekers vonden een eenvoudige manier om de symmetrie van het systeem te verminderen. Hoewel alle atomen door dezelfde laser worden aangestuurd, worden extra lasers of magnetische velden gebruikt om de energieën van de aangeslagen toestanden van verschillende groepen atomen te verschuiven. De atomen worden zo gerangschikt dat elk atoom gekoppeld is aan een ander atoom met een gelijke maar tegengestelde energieverschuiving.

Deze eenvoudige aanpassing zorgt ervoor dat atomen zich anders gedragen, terwijl er voldoende structuur behouden blijft om het systeem beheersbaar en voorspelbaar te houden. Door te veranderen welke atomen specifieke energieverschuivingen ondergaan, kunnen wetenschappers het systeem afstemmen om een ​​verscheidenheid aan verstrengelde toestanden te produceren zonder ingewikkelde trucs te hoeven uithalen.

“Je zet die lasers aan en wacht. Op een gegeven moment stabiliseert het systeem zich in een interessante, sterk verstrengelde kwantumtoestand”, aldus medeonderzoeker Anjun Chu. “Door simpelweg de lasers aan te passen, kunnen we toegang krijgen tot soorten verstrengelde toestanden waar niemand eerder aan had gedacht.”

Betere kwantumsensoren

In theorie kunnen verstrengelde kwantumtoestanden extreem kleine verschillen in magnetische velden of zwaartekrachtvelden tussen verschillende locaties detecteren. Het ontwikkelen van toestanden die zowel zeer gevoelig als ruisbestendig zijn, is echter een grote probleem gebleven.
De onderzoekers hebben aangetoond dat een versie van hun voorgestelde systeem, bestaande uit twee groepen atomen, gebruikt kan worden om veldgradiënten te meten. Wanneer de twee atoomensembles op verschillende locaties worden geplaatst, weerspiegelt de resulterende kwantumtoestand het verschil tussen de lokale magnetische of zwaartekrachtvelden. Tegelijkertijd onderdrukt het op natuurlijke wijze achtergrondruis die beide locaties in gelijke mate beïnvloedt.
Clerk: “Je kunt twee dingen doen die normaal gesproken niet met elkaar verenigbaar zijn: verstrengeling gebruiken om een ​​verstrengelde kwantumtoestand te bouwen die extreem kleine verschillen in magnetische velden of zwaartekrachtvelden kan detecteren. Het is een uiterst gevoelige sensor, maar die is ook bestand tegen willekeurig grote hoeveelheden ruis. Normaal gesproken is verstrengeling erg fragiel (=instabiel; as).” Deze aanpak zou verbazingwekkend veerkrachtig zijn.

Een ander voordeel van deze aanpak is dat de informatie die in deze kwantumtoestanden is opgeslagen, kan worden geëxtraheerd met behulp van standaardmeetmethoden, waardoor er geen behoefte is aan gespecialiseerde of exotische meetsystemen. De onderzoekers toonden ook aan dat hetzelfde platform ongebruikelijke kwantumtoestanden kan genereren die al lange tijd de interesse van natuurkundigen wekken.
Het werk blijft voorlopig theoretisch, maar de onderzoekers bespreken al mogelijke experimentele proeven met andere onderzoeksgroepen. Ze onderzoeken ook geavanceerdere manieren om atomen binnen het systeem te rangschikken en verkennen het volledige scala aan kwantumtoestanden dat hun methode mogelijk kan produceren.

Clerk: “Het feit dat zulke eenvoudige ingrediënten zulke complexe en nuttige kwantumtoestanden kunnen genereren, geeft ons hoop dat we, zelfs voordat we de droom van een algemene kwantumcomputer kunnen waarmaken, kunnen we al kwantumtoestanden genereren waarmee we dingen kunnen doen die we in een puur klassieke wereld niet zouden kunnen doen.”

Bron: Science Daily