Verstrengeling is een band die tussen kwantumdeeltjes bestaat, waarbij de ‘partners’ hun eigenschappen op elkaar afstemmen over soms uitzonderlijk grote afstanden. Dat lijkt een wankele relatie, maar onderzoekers van het ICFO in Barcelona ontdekten dat die ‘vereniging’ goed bestand is tegen hoge temperaturen of chaotische omgevingen. Tot nu toe werd gedacht dat die verstrengeling, die een rol kan spelen in kwantumcomputers, alleen maar haalbaar is bij lage temperaturen in ruisarme omgevingen.
Die bizarre kwantumeigenschap kan te pas komen bij beveiliging van kwantumsystemen en -communicatie maar ook voor sensoren voor zwaartekrachtgolven. Die fragiele verstrengeling blijkt dus veel robuuster dan gedacht, zo denken onderzoekers van het ICFO onder aanvoering van Morgan Mitchell nu te weten. Ze denken zelfs dat de tegenovergestelde strategie, het bevorderen van willekeurige wisselwerkingen, kan helpen verstrengeling te bewerkstelligen en in stand te houden.

Ze verwarmden rubidium-87-atomen (⁸⁷Rb) tot 450 K (zo’n 180°C) om ze in de dampfase te brengen. De afzonderlijke atomen botsten in de damp gemiddeld elke 20 µs (µ is eenmiljoenste). Bij elke botsing werd de spin van de elektronen willekeurig veranderd. Dat zou leiden tot magnetisering.
De onderzoekers maten die magnetisering met behulp van een laser, waarbij ze ook verstrengeling tussen elektronen konden constateren. Die meting moet dan wel gebeuren op een manier dat die elektronspins daar geen ’tik’ van krijgen, maar dat schijnt te doen te zijn (anders dan me altijd is wijsgemaakt). “Zo’n meting is zoiets als mri, waarbij informatie krijgt over een systeem zonder het te vernietigen zoals bij een biopsie”, zegt Mitchell.

Willekeurig maar gecoördineerd

Er zijn verschillende typen botsingen mogelijk tussen de atomen. Het meest voorkomen botsingen waarbij de elektronspin wordt uitgewisseld. De onderzoekers constateerden dat veel rubidiumatomen (zo’n 20%) verstrengeld raakten door die spinuitwisseling via een (voor mij) vreemde verstrengelingstoestand. Mitchell: “Dat is een eigenaardige toestand van twee spins: elke spin lijkt ogenschijnlijk volledig willekeurig tegelijkertijd in elke richting te wijzen, maar de spins wijzen altijd exact in de tegenovergestelde richting: volledig willekeurig, maar toch ook volledig gecoördineerd.” Die tegengestelde spins heffen elkaars effect op en kan er dus verstrengeling worden geconstateerd. Mitchell: “Als het meetsignaal erg ‘rustig’ wordt, dan weten we dat er vele singlets (verstrengelingen; as) zijn gevormd.”
De onderzoekers ontdekten dat die verstrengeling niet alleen gebeurde tussen atomen die vlak bij elkaar zaten, waarbij het gewoon maar zo kan zijn dat tussen twee verstrengelde atomen zich duizenden andere atomen bevinden, die op zich dan weer met andere atomen verstrengeld kunnen zijn. Kortom: een gereguleerde mierenhoop.

Als de meting is gestopt dan duurt die verstrengeling nog zo’n milliseconde, legt medeonderzoeker Jia Kong uit. Dan ontstaan nieuwe relaties, duizend keer per seconde. In 1 ms kan een atoom makkelijk vijftig keer botsen, terwijl zo’n botsing de verstrengeling niet verbreekt. Robuust dus. Kong: “Het was een onbeantwoorde vraag of verstrengeling die hoge temperaturen kan overleven, maar uit ons onderzoek blijkt dat ze dat zeker kan.”

Bron: physicsworld.org