Een quantumsuperpositie, een toestand van deeltjes die gewoonlijk erg fragiel is, heeft het uitzonderlijk lang volgehouden. Zo’n langdurige toestand kan gebruikt worden om nieuwe natuurkunde te ontdekken.
Quantumsuperposities zijn meestal erg fragiel, waardoor ze alweer snel verdwijnen. Maar nu is zo’n toestand 23 minuten lang in stand gehouden. Dat is een record.
Quantumtoestanden zo lang stabiel houden, kan helpen om robuustere quantumtechnologie te ontwikkelen. Ook kan het leiden tot ontdekkingen van nog onbekende effecten in de quantumfysica.
‘Het ITER-uitstel is minder dramatisch dan het lijkt’
‘ITER tien jaar vertraagd’, kopten de media. Maar de momenten waar het bij deze kernfusiereactor écht om gaat worden veel minder uitgesteld.
Kattentoestand
Het fenomeen waar het om draait, staat bekend als een ‘kattentoestand‘, vernoemd naar een beroemd gedachte-experiment van Erwin Schrödinger. Daarbij wordt een kat in een doos geplaatst onder bijzondere omstandigheden, zodat het onmogelijk is om te zeggen of het dier leeft of dood is.
Kattentoestanden zijn zogeheten superposities, waarin een quantumobject, zoals een deeltje, zich in verschillende toestanden bevindt. Het draait bijvoorbeeld zowel links- als rechtsom. Het is onmogelijk om te bepalen in welke toestand het deeltje zich daadwerkelijk bevindt: in feite in alle toestanden tegelijkertijd.
Onderzoekers kunnen in hun laboratoria zulke superposities creëren met lichtdeeltjes, en zelfs met kleine kristallen. Maar deze superposities gaan altijd snel verloren. De deeltjes vervallen dan naar een enkele, welbepaalde toestand.
Nu hebben de Chinese natuurkundige Zheng-Tian Lu en zijn collega’s atomen gebruikt die door licht gevangen werden om een superpositie uitzonderlijk lang in stand te houden. Ze beschrijven hun resultaten op de website Arxiv, waar onderzoekers artikelen delen die nog niet getoetst zijn door onafhankelijke experts.
Het onderzoeksteam gebruikte ongeveer tienduizend atomen van ytterbium. Die koelden ze af tot een paar duizendste van een graad boven het absolute nulpunt. Ze hielden de atomen vervolgens op hun plek met behulp van laserlicht. Onder deze omstandigheden konden ze de quantumtoestanden van de atomen zeer nauwkeurig bepalen. De onderzoekers maakten hiervan gebruik om elk atoom in een superpositie van twee toestanden te brengen, met twee verschillende spins (een soort draaiingen).
Sitcomaflevering
Normaal gesproken zouden verstoringen door de omgeving van de atomen ze binnen enkele seconden of milliseconden doen instorten tot een enkele spintoestand, maar de onderzoekers stemden hun lasers precies goed af om de superposities een ongekende 1400 seconden lang te laten duren. Dat is de lengte van de gemiddelde sitcomaflevering. ’Ze maken deze prachtige kattentoestand in een atomair systeem en het is stabiel’, zegt natuurkundige Barry Sanders van de Universiteit van Calgary in Canada.
Zo’n superpositie is heel gevoelig voor alles wat er in de omgeving gebeurt. Hij kan daarom gebruikt worden om subtiele magnetische krachten te detecteren en te bestuderen, zegt Sanders. Of om nieuwe en exotische effecten in de natuurkunde te onderzoeken. ’Een sonde wordt heen en weer geschud en geduwd, en door te zien wat er dan gebeurt, leer je over de dingen die ermee interageren.’
Quantumcomputer
De onderzoekers toonden aan dat de gevoeligheid van de superpositie voor het meten van magneetvelden al heel dicht in de buurt komt van wat theoretisch mogelijk is. Omdat de toestand zo lang in stand blijft, is dit systeem niet alleen een gevoelig meetinstrument, maar ook een die gegevens over een langere periode verzamelt dan een enkele momentopname. Dit kan mogelijk effecten aan het licht brengen die zowel heel snel als langzaam plaatsvinden, aldus Sanders.
Superposities kunnen ook nuttig zijn voor toekomstige quantumapparaten. Zo kunnen ze gebruikt worden bij informatieverwerking, als een zeer stabiel geheugen dat extra informatie kan opslaan. Dit kan een quantumcomputer helpen om correcties uit te voeren wanneer hij fouten maakt.
