Bij het bouwen van een kwantumcomputer moet rekening worden gehouden met fouten - in meer dan één opzicht. Kwantumbits, of "qubits, " die tegelijkertijd de logische waarden nul en één kan aannemen, en zo sneller berekeningen uit te voeren, zijn zeer gevoelig voor verstoringen. Een mogelijke remedie hiervoor is kwantumfoutcorrectie, wat betekent dat elke qubit redundant wordt weergegeven in meerdere exemplaren, zodat fouten kunnen worden gedetecteerd en uiteindelijk gecorrigeerd zonder de kwetsbare kwantumtoestand van de qubit zelf te verstoren. Technisch gezien, dit is erg veeleisend. Echter, een aantal jaar geleden, een alternatief voorstel suggereerde om informatie op te slaan niet in meerdere redundante qubits, maar eerder in de vele oscillerende toestanden van een enkele harmonische kwantumoscillator. De onderzoeksgroep van Jonathan Home, professor aan het Institute for Quantum Electronics aan de ETH Zürich, heeft nu zo'n qubit gecodeerd in een oscillator gerealiseerd. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Periodieke oscillerende toestanden

In het laboratorium van Home, doctoraat studente Christa Flühmann en haar collega's werken met elektrisch geladen calciumatomen die worden opgesloten door elektrische velden. Met behulp van de juiste gekozen laserstralen, deze ionen worden afgekoeld tot zeer lage temperaturen waarbij hun oscillaties in de elektrische velden, waarbinnen de ionen heen en weer klotsen als knikkers in een kom, worden door de kwantummechanica beschreven als zogenaamde golffuncties. "Op dat punt, dingen worden spannend, " zegt Flühmann, wie is de eerste auteur van de Natuur papier. "We kunnen nu de oscillerende toestanden van de ionen op zo'n manier manipuleren dat hun positie- en momentumonzekerheden worden verdeeld over veel periodiek gerangschikte toestanden."

Hier, "onzekerheid" verwijst naar de beroemde formule van Werner Heisenberg, waarin staat dat in de kwantumfysica, het product van de meetonzekerheden van de positie en snelheid (meer precies:het momentum) van een deeltje kan nooit onder een welbepaald minimum komen. Bijvoorbeeld, het manipuleren van het deeltje om zijn positie heel goed te kennen - natuurkundigen noemen dit "knijpen" - vereist het minder zeker maken van zijn momentum.

Minder onzekerheid

Op deze manier in een kwantumtoestand knijpen is, op zichzelf, slechts van beperkte waarde als het doel is om nauwkeurige metingen te doen. Echter, er is een slimme uitweg:als, bovenop het knijpen, men bereidt een oscillerende toestand voor waarin de golffunctie van het deeltje wordt verdeeld over vele periodiek uit elkaar geplaatste posities, de meetonzekerheid van elke positie en van het respectieve momentum kan kleiner zijn dan Heisenberg zou toestaan. Zo'n ruimtelijke verdeling van de golffunctie - het deeltje kan op meerdere plaatsen tegelijk zijn, en alleen een meting bepaalt waar men het daadwerkelijk vindt - doet denken aan de beroemde kat van Erwin Schrödinger, die tegelijkertijd dood en levend is.

Deze sterk verminderde meetonzekerheid betekent ook dat de kleinste verandering in de golffunctie, bijvoorbeeld door een externe storing, zeer nauwkeurig kan worden bepaald en - althans in principe - gecorrigeerd. "Onze realisatie van die periodieke of kamachtige oscillerende toestanden van het ion zijn een belangrijke stap in de richting van een dergelijke foutdetectie, " legt Flühmann uit. "Bovendien we kunnen willekeurige toestanden van het ion voorbereiden en er alle mogelijke logische bewerkingen op uitvoeren. Dit alles is nodig voor het bouwen van een kwantumcomputer. In een volgende stap willen we dat combineren met foutdetectie en foutcorrectie."

Toepassingen in kwantumsensoren

Onderweg moeten enkele experimentele obstakels worden overwonnen, Flühmann geeft toe. Het calciumion moet eerst door elektrische krachten aan een ander ion worden gekoppeld, zodat de oscillerende toestand kan worden uitgelezen zonder deze te vernietigen. Nog altijd, zelfs in zijn huidige vorm is de methode van de ETH-onderzoekers van groot belang voor toepassingen, Flühmann legt uit:"Door hun extreme gevoeligheid voor storingen, die oscillerende toestanden zijn een geweldig hulpmiddel om heel precies kleine elektrische velden of andere fysieke grootheden te meten."