Quantumtechnologie wordt gezien als een belangrijke toekomstgerichte technologie:kleinere, sneller en met hogere prestaties dan conventionele elektronica. Echter, het exploiteren van kwantumeffecten is moeilijk omdat de kleinste bouwstenen van de natuur eigenschappen hebben die heel anders zijn dan die we kennen uit onze dagelijkse wereld. Een internationaal team van onderzoekers is er nu in geslaagd om een ​​fouttolerante manipulatie van quanta te extraheren uit een effect van klassieke mechanica.

De beweging van een tennisracket in de lucht kan helpen bij het voorspellen van het gedrag van quanta. "Het gebruik van een analogie uit de klassieke natuurkunde helpt ons bij het efficiënter ontwerpen en illustreren van besturingselementen voor verschijnselen in de kwantumwereld, " meldt Stefan Glaser, hoogleraar bij de afdeling Scheikunde aan de Technische Universiteit van München (TUM).

"Het beheersen van de eigenschappen van quanta en het gebruik ervan in technische processen is tot nu toe moeilijk gebleken omdat de quanta zich houden aan hun eigen wetten, die vaak onze verbeelding te boven gaan, " legt de wetenschapper uit. "Mogelijke toepassingen zoals beveiligde netwerken, zeer gevoelige meetapparatuur en ultrasnelle kwantumcomputers staan ​​dus nog in de kinderschoenen."

Quanta onder controle

"Het gebruik van kwantumeffecten op een technische manier door het gedrag van deeltjes door elektromagnetische velden te beïnvloeden, vereiste de snelst mogelijke methoden om fouttolerante controlesequenties te ontwikkelen, ", zegt Glaser. "Tot op heden, de meeste methoden bouwen voort op zeer gecompliceerde computationele processen."

Samen met een internationaal team van natuurkundigen, scheikundigen en wiskundigen, heeft de onderzoeker nu een onverwachte, veelbelovende en nieuwe benadering:het tennisracketeffect gebruiken, een bekend fenomeen in de klassieke mechanica, de consistente verandering in de spin van quanta via elektromagnetische stuurcommando's kan worden gevisualiseerd.

Tennisracket in beweging

Het tennisracketeffect beschrijft wat er gebeurt als iemand een tennisracket in de lucht gooit terwijl hij een rotatie om een ​​as geeft. Wanneer men het racket om zijn dwarsas laat draaien, treedt een verrassend effect op:naast de beoogde 360-graden rotatie om zijn dwarsas, het racket zal bijna altijd een onverwachte draai van 180 graden om zijn lengteas uitvoeren. Wanneer het racket wordt gevangen, de eerste onderkant zal naar boven wijzen.

"Verantwoordelijk voor dit effect zijn kleine afwijkingen en verstoringen tijdens het werpen en de verschillende traagheidsmomenten langs de drie assen van een asymmetrisch lichaam. Het effect kan ook worden waargenomen door een boek of mobiele telefoon in de lucht te gooien - voor een goede maatregel over een zacht beddengoed - in plaats van een tennisracket, " verduidelijkt Glaser. De langste en kortste assen zijn stabiel. de tussenas, in het geval van een tennisracket, de dwarsas, is onstabiel en zelfs minuscule agitaties leiden op betrouwbare wijze tot een extra rotatie van 180 graden.

Quanta in beweging

Quanta bezitten ook impulsmoment, bekend als spin. Dit kan worden beïnvloed door het aanleggen van een elektromagnetisch veld. "Het doel van deze kwantumtechniek is om de oriëntatie van de spin gericht te veranderen, waardoor fouten veroorzaakt door kleine verstoringen worden geminimaliseerd, ' zegt Glaser.

"De ontdekte wiskundige analogie tussen de geometrische eigenschappen van de klassieke fysica met betrekking tot vrij roterende objecten en het beheersen van kwantumverschijnselen kan nu worden gebruikt om de elektromagnetische controle van kwantumtoestanden te optimaliseren, " vat co-auteur prof. Dominique Sugny samen. Evenals aan de Franse universiteit van Bourgondië werken de wetenschappers als Hans Fischer Fellow aan het Institute for Advanced Study aan de TUM.

Nieuw, robuuste modellen

Met behulp van metingen van de kernspin, het team kon experimenteel aantonen dat het tennisracketeffect de robuustheid van verstrooiingssequenties echt verbetert. Ze hebben hun resultaten nu gepubliceerd in het tijdschrift " Wetenschappelijke rapporten ."

"Op basis van deze onderzoeksresultaten we kunnen nu efficiëntere wiskundige modellen ontwikkelen waarmee fouten kunnen worden vermeden bij het aansturen van kwantumprocessors, " voegt Glaser toe. "Voortbouwend op het goed begrepen fenomeen uit de klassieke natuurkunde, we kunnen niet alleen de ontwikkeling van betrouwbare regelsequenties in de kwantumtechnologie visualiseren, maar ook aanzienlijk versnellen."