Twee minieme trommeltjes zijn samen in een quantumverstrengelde toestand gebracht. Dit spookachtig quantumgedrag werd voorheen alleen gezien bij kleine deeltjes als atomen en moleculen. Met de verstrengeling van de trommeltjes – die relatief gigantisch zijn – treedt de quantummechanica langzaam de macroscopische wereld binnen.
Deze bevindingen worden beschreven in twee publicaties in het tijdschrift Science. Niet alleen vormen ze een indrukwekkende wetenschappelijke prestatie, ook kunnen deze grotere quantumsystemen toepassingen hebben in quantumtechnologie, zoals quantumnetwerken en quantumcomputers.
Spookachtige actie op afstand
Bij quantumverstrengeling zijn twee of meer deeltjes (of trommeltjes) op een bijzondere manier met elkaar verbonden. Hun eigenschappen zijn dan sterk met elkaar gecorreleerd. Bijvoorbeeld: als de ene rood is, dan is de andere groen en omgekeerd.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Deze correlatie werkt anders dan bij ‘gewone’, niet-quantumsystemen. Quantumdeeltjes kunnen tegelijkertijd rood én groen zijn, totdat je meet welke kleur ze hebben. Twee quantumverstrengelde deeltjes kunnen dus beide rood en groen tegelijkertijd zijn, maar zodra je meet dat het ene rood is, weet je onmiddellijk dat het andere groen is.
Einstein zag in deze absurde verstrengeling – die hij een ‘spookachtige actie op afstand’ noemde – een aanwijzing dat quantummechanica niet kon kloppen. Maar inmiddels is de bijzondere quantumcorrelatie aangetoond met fotonen, atomen en zelfs moleculen.
Verstrengelde komkommers
Volgens de wetten van de quantummechanica is verstrengeling ook mogelijk met grote objecten. ‘Voor zover bekend heeft quantummechanica geen grenzen’, mailt natuurkundige Shlomi Kotler, van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. ‘In principe zouden we ook komkommers en appels moeten kunnen verstrengelen.’
Maar in de macroscopische wereld om ons heen zien we geen verstrengeling bij komkommers, appels of katten. Komt dat doordat wij deze quantumtoestand niet kunnen waarnemen met de huidige meettechnieken? Of gelden voor grote objecten, zoals komkommers en katten andere wetten die verschillen van de quantummechanica?
Minuscule trommeltjes
Om dat te begrijpen, proberen natuurkundigen stap voor stap grotere objecten te verstrengelen in het lab. Nu is dat voor het eerste gelukt met twee trommetjes die bijna met het blote oog zichtbaar zijn.
De trommeltjes bestaan uit een trillend aluminium ‘trommelvel’ van 20 micrometer (duizendste millimeter) lang, 14 micrometer breed en 0,1 micrometer dik. Elk trommeltje is daarmee zo groot als de doorsnede van een haar en bestaat uit ongeveer een biljoen atomen. Dat lijkt onmogelijk klein, maar voor de quantumfysica is het gigantisch.
De onderzoekers brachten de twee trommelvellen in beweging door ze een zetje te geven met microgolfstraling. Hierdoor begon elk trommeltje een ritme te spelen. De ritmes van de twee waren hierbij op een bijzondere manier gecorreleerd; alsof ze samen hetzelfde muziekstuk improviseerden. Hun ritmes waren, met andere woorden, quantumverstrengeld.
Weinig ruis
‘Andere objecten, die niet veel kleiner waren, zijn eerder ook al verstrengeld’, vertelt Kotler. Het formaat van de objecten is daarom niet het meest indrukwekkende aan dit experiment. Dat is de kwaliteit van de verstrengeling en de meting daarvan.
Het experiment werkt robuust met een simpele druk op een druk. ‘Elke keer dat wij een microgolf signaal sturen, raken de twee trommeltjes verstrengeld’, zegt Kotler. Bij eerdere experimenten waren voor elke verstrengelde toestand meerdere pogingen nodig.
Verder kunnen de onderzoekers de verstrengeling helder en duidelijk meten. Er zit weinig ruis op het meetsignaal. Dat is belangrijk als je deze techniek wilt gebruiken in quantumtechnologische toepassingen.
Quantumgeheugen
Een ander voordeel is dat de trommeltjes fysiek trillen. Daardoor raken ze minder snel verstoord door elektrische signalen die rond razen in computers. Dit maakt de trommeltjes bijvoorbeeld geschikt als quantumgeheugen in toekomstige quantumcomputers.
De volgende stap voor de onderzoekers is om nog grotere objecten proberen te verstrengelen. ‘Zolang er alleen technische uitdagingen zijn, gaan we door’, zegt Kotler. Zo hopen ze te ontdekken of er een grens is aan de quantummechanica, of dat het verstrengelen van komkommers toch mogelijk blijkt.
