Dood of levend, linksdraaiend of rechtsdraaiend - in de kwantumwereld kunnen deeltjes zoals de beroemde analogie van Schrödingers kat al deze dingen tegelijkertijd zijn. Een internationaal team, waaronder onderzoekers van verschillende vooraanstaande Amerikaanse universiteiten, samen met experts van Forschungszentrum Jülich, zijn er nu in geslaagd om 20 verstrengelde kwantumbits om te zetten in zo'n superpositie. Het genereren van dergelijke atomaire Schrödinger-kattentoestanden wordt beschouwd als een belangrijke stap in de ontwikkeling van kwantumcomputers die beter kunnen presteren dan klassieke computers bij het oplossen van bepaalde taken. De resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschap vorige vrijdag.

In 1935, de natuurkundige Erwin Schrödinger bracht het gedachte-experiment met de kwantumkat naar voren, waarin de kat samen met een radioactief monster in een doos wordt ingesloten, een detector en een dodelijke hoeveelheid gif. Als het radioactieve materiaal vervalt, de detector activeert een alarm en het gif wordt vrijgegeven. Het bijzondere is dat volgens de regels van de kwantummechanica, in tegenstelling tot de dagelijkse ervaring, het is niet duidelijk of de kat dood of levend is. Het zou allebei tegelijk zijn totdat een experimentator een kijkje neemt. Een enkele toestand zou pas worden verkregen vanaf het moment van deze waarneming.

Sinds het begin van de jaren tachtig, onderzoekers hebben deze superpositie van kwantumtoestanden experimenteel in het laboratorium kunnen realiseren met behulp van verschillende benaderingen. "Echter, deze kattentoestanden zijn extreem gevoelig. Zelfs de kleinste thermische interacties met de omgeving zorgen ervoor dat ze instorten, " legt Tommaso Calarco van Forschungszentrum Jülich uit. Onder andere hij speelt een leidende rol in Europa's grote kwantuminitiatief, het Quantum Flagship-programma van de EU. "Om deze reden, het is alleen mogelijk om beduidend minder kwantumbits in Schrödinger-kattentoestanden te realiseren dan die welke onafhankelijk van elkaar bestaan".

Van de laatste staten, wetenschappers kunnen nu meer dan 50 controleren in laboratoriumexperimenten. Echter, deze kwantumbits, of kortweg qubits, vertonen niet de speciale kenmerken van de kat van Schrödinger in tegenstelling tot de 20 qubits die het team van onderzoekers nu heeft gemaakt met behulp van een programmeerbare kwantumsimulator, waardoor een nieuw record wordt gevestigd dat nog steeds geldig is, zelfs als andere fysieke benaderingen met optische fotonen, er wordt rekening gehouden met ingesloten ionen of supergeleidende kwantumcircuits.

Experts van verschillende van 's werelds meest gerenommeerde instellingen hebben hun krachten gebundeld om het experiment te ontwikkelen. Naast de Jülich-onderzoekers, wetenschappers van tal van Amerikaanse topuniversiteiten - Harvard, Berkeley, MIT en Caltech - evenals de Italiaanse Universiteit van Padua waren erbij betrokken.

"Qubits in de kattenstaat worden als extreem belangrijk beschouwd voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën, ", legt Jian Cui uit. "Het geheim van de enorme efficiëntie en prestaties die van toekomstige kwantumcomputers worden verwacht, is te vinden in deze superpositie van toestanden, " zegt de natuurkundige van het Peter Grünberg Instituut in Jülich (BGA-8).

Klassieke bits in een conventionele computer hebben altijd maar één bepaalde waarde, die is samengesteld uit 0 en 1, bijvoorbeeld. Daarom, deze waarden kunnen alleen bit voor bit na elkaar worden verwerkt. Qubits, die verschillende toestanden tegelijkertijd hebben vanwege het superpositieprincipe, kan in één stap meerdere waarden parallel opslaan en verwerken. Het aantal qubits is hierbij cruciaal. Met een handjevol qubits kom je niet ver. Maar met 20 qubits, het aantal gesuperponeerde staten is al meer dan een miljoen. En 300 qubits kunnen meer getallen tegelijk opslaan dan er deeltjes in het heelal zijn.

Het nieuwe resultaat van 20 qubits komt nu iets dichter bij deze waarde, nadat het oude record van 14 qubits sinds 2011 onveranderd bleef. Voor hun experiment, de onderzoekers gebruikten een programmeerbare kwantumsimulator op basis van Rydberg-atoomarrays. Bij deze benadering individuele atomen, in dit geval rubidium-atomen, worden opgevangen door laserstralen en naast elkaar in een rij op hun plaats gehouden. De techniek wordt ook wel optisch pincet genoemd. Een extra laser prikkelt de atomen totdat ze de Rydberg-toestand bereiken, waarin de elektronen zich ver buiten de kern bevinden.

Dit proces is nogal ingewikkeld en kost meestal te veel tijd, zodat de delicate toestand van de kat wordt vernietigd voordat deze zelfs maar kan worden gemeten. De groep in Jülich droeg hun expertise in Quantum Optimal Control in om dit probleem op te lossen. Door de lasers slim aan en uit te zetten in het juiste tempo, ze bereikten een versnelling in het voorbereidingsproces die dit nieuwe record mogelijk maakte.

"We hebben sommige atomen praktisch zo opgeblazen dat hun atomaire schillen versmelten met de aangrenzende atomen om tegelijkertijd twee tegengestelde configuraties te vormen, namelijk excitaties die alle even of oneven plaatsen bezetten, " legt Jian Cui uit. "Dit gaat zo ver dat de golffuncties elkaar overlappen zoals in de analogie van de kat van Schrödinger en we waren in staat om de superpositie van de tegenovergestelde configuraties te creëren, die ook bekend staat als de Greenberger-Horne-Zeilinger-toestand."

Hun vooruitgang in kwantumonderzoek werd aangevuld met de inspanningen van een Chinese onderzoeksgroep, die ook werd gepubliceerd in het huidige nummer van " Wetenschap ". Met behulp van supergeleidende kwantumcircuits, de onderzoekers slaagden erin 18 qubits te creëren in de staat Greenberger-Horne-Zeilinger, wat ook een nieuw record is voor deze experimentele benadering.