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

Het beroemde om niet te zeggen beruchte gedachte-experiment van Schrödingers kat illustreert het fenomeen van kwantumsuperpositie. Nu zouden natuurkundigen er voor het eerst in geslaagd (levert een ‘blokkade’ bij mij=as op) zijn een vorm van dergelijke ‘kattentoestanden’ aan te tonen in een kwantumoscillator, iets wat voorheen alleen theoretisch voorspeld was. Het grote voordeel: dergelijke kwantumoscillatoren kunnen meer dan twee toestanden ‘stapelen’ en zouden robuuster zijn dan ‘conventionele’ kwantumbits.
Voor het goede begrip (voor zover dat mogelijk is): die kat is tegelijk dood en levend. Als je gaat kijken dan is die kat of in leven of dood. In de kwantummechanica zijn dergelijke ‘kattentoestanden’ al aangetoond in fotonen, elektronen, moleculen en zelfs massieve metaaldeeltjes.
Trillingstoestanden van kristallen kunnen, bijvoorbeeld, ook worden gestapeld. Superpositie is geen curiositeit van de natuur. Die toestand is essentieel voor elke toepassing van de kwantummechanica, stellen de onderzoekers rond Sebastian Saner van de universiteit van Oxford.
Tot nu toe maken kwantumsensoren en kwantumcomputers echter vooral gebruik van de superpositie van slechts twee toestanden, vaak met verschillende spinoriëntaties of energieniveaus. De kwantumwereld biedt echter meer. ​​Door gebruik te maken van trillingstoestanden, bijvoorbeeld in een kristal of van individuele opgesloten deeltjes, is het mogelijk om meer dan twee toestanden tegelijk te superponeren. Zulke kwantumoscillatoren kunnen zo meer informatie verwerken en verzenden en zijn bovendien efficiënter en robuuster dan conventionele kwabits, stellen de onderzoekers.

Multisuperpositiesysteem

Ze hebben nu voor het eerst een nieuwe een multisuperpositiesysteem ontwikkeld en beproefd. In deze toestanden genereert de koppeling van een kwabit met een kwantumoscillator gesuperponeerde trillingsstaten die zijn samengesteld uit verschillende niet-klassieke componenten; een hybride systeem.
Dat bestond bij dit onderzoek in de kern uit een strontiumion in een ionenval; een ‘normale’ kwabit. De natuurkundigen plaatsen dit ion in een superpositie van twee spintoestanden, zoals gebruikelijk is in ‘conventionele’ kwantumsystemen.
Wat nieuw is, is dat de beweging van het ion nu ook in de superpositie is opgenomen. De natuurkundigen koppelden de interne kwantumtoestand van het ion aan de extern meetbare trillingen. Deze vormen een kwantumoscillator.
Hiermee zouden de kwantummechanici een methode gevonden hebben om tegelijkertijd verschillende superposities te genereren en praktisch te gebruiken. “We hebben experimenteel veel niet-klassieke toestanden aangetoond die voorheen alleen theoretisch waren onderzocht,” melden de onderzoekers.

In het experiment slaagden ze er ook in om de relatieve grootte, richting en afstand van de verschillende vibratietoestanden nauwkeurig te manipuleren. “Deze aanpak stelt ons in staat om de kwantumsuperpositie in bijna elke gewenste vorm te gieten,” zegt Saner.
Metingen toonden ook aan dat de gegenereerde superposities sterk negatieve waarden vertoonden van de zogenaamde Wigner-quasikans. Deze geeft aan of een systeem zich klassiek of niet-klassiek gedraagt. Grote Wigner-negatieven zijn een voorwaarde voor kwantumtoestanden die superieur zijn aan klassieke berekeningen. Ze zijn daarom zeer gewild in de ontwikkeling van de kwantumtechnologie.

Uitbreiden

De onderzoekers denken dat hun aanpak een manier biedt om de voordelen van kwantumsystemen verder uit te breiden, waardoor kwantumsensoren en kwantumcomputers robuuster en efficiënter worden. Dit komt doordat de kwabits die gevormd worden door kwantumoscillatoren via meerdere gesuperponeerde vibratietoestanden minder gevoelig zijn voor verstoringen. De door hen ontwikkelde techniek is bovendien niet beperkt tot ionen, maar kan ook worden toegepast op supergeleidende kwantumcircuits, nanodeeltjes of atomen.

Bron: bdw