Als we het kunnen benutten, kwantumtechnologie belooft fantastische nieuwe mogelijkheden. Maar eerst, wetenschappers moeten kwantumsystemen overhalen om langer dan een paar miljoenste van een seconde in het juk te blijven.

Een team van wetenschappers van de Pritzker School of Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago heeft de ontdekking aangekondigd van een eenvoudige wijziging waarmee kwantumsystemen operationeel kunnen blijven - of "coherent" -10, 000 keer langer dan voorheen. Hoewel de wetenschappers hun techniek testten op een bepaalde klasse van kwantumsystemen, vaste-stofqubits genaamd, ze denken dat het van toepassing zou moeten zijn op veel andere soorten kwantumsystemen en dus een revolutie teweeg zou kunnen brengen in kwantumcommunicatie, rekenen en voelen.

De studie werd op 13 augustus gepubliceerd in Wetenschap .

"Deze doorbraak legt de basis voor spannende nieuwe onderzoeksrichtingen in de kwantumwetenschap, " zei hoofdauteur David Awschalom, de Liew Family Professor in Molecular Engineering, senior wetenschapper bij Argonne National Laboratory en directeur van de Chicago Quantum Exchange. "De brede toepasbaarheid van deze ontdekking, in combinatie met een opmerkelijk eenvoudige implementatie, maakt het mogelijk dat deze robuuste samenhang invloed heeft op vele aspecten van kwantumtechnologie. Het maakt nieuwe onderzoeksmogelijkheden mogelijk die voorheen onpraktisch werden geacht."

Beneden op het niveau van atomen, de wereld werkt volgens de regels van de kwantummechanica - heel anders dan wat we in ons dagelijks leven om ons heen zien. Deze verschillende regels kunnen zich vertalen in technologie zoals vrijwel onkraakbare netwerken of extreem krachtige computers; het Amerikaanse ministerie van Energie heeft een blauwdruk vrijgegeven voor het toekomstige kwantuminternet tijdens een evenement in UChicago op 23 juli. Maar fundamentele technische uitdagingen blijven bestaan:kwantumstaten hebben een extreem stille, stabiele ruimte om te werken, omdat ze gemakkelijk worden gestoord door achtergrondgeluid afkomstig van trillingen, temperatuurveranderingen of verdwaalde elektromagnetische velden.

Dus, wetenschappers proberen manieren te vinden om het systeem zo lang mogelijk coherent te houden. Een veelvoorkomende aanpak is het fysiek isoleren van het systeem van de lawaaierige omgeving, maar dit kan onpraktisch en complex zijn. Een andere techniek is om alle materialen zo puur mogelijk te maken, wat kostbaar kan zijn. De wetenschappers van UChicago pakten het anders aan.

“Met deze aanpak we proberen geen lawaai in de omgeving te elimineren; in plaats daarvan, we "misleiden" het systeem door te denken dat het de ruis niet ervaart, " zei postdoctoraal onderzoeker Kevin Miao, de eerste auteur van het artikel.

Samen met de gebruikelijke elektromagnetische pulsen die worden gebruikt om kwantumsystemen te besturen, het team paste een extra continu wisselend magnetisch veld toe. Door dit veld nauwkeurig af te stemmen, de wetenschappers konden de elektronenspins snel roteren en het systeem de rest van het geluid laten "afstemmen".

"Om een ​​idee te krijgen van het principe, het is alsof je op een draaimolen zit met schreeuwende mensen om je heen, " legde Miao uit. "Als de rit stil is, je kunt ze perfect horen, maar als je snel draait, het geluid vervaagt in een achtergrond."

Door deze kleine verandering kon het systeem tot 22 milliseconden coherent blijven, vier orden van grootte hoger dan zonder de wijziging - en veel langer dan enig eerder gerapporteerd elektronenspinsysteem. (Ter vergelijking, een oogwenk duurt ongeveer 350 milliseconden). Het systeem is in staat om sommige vormen van temperatuurschommelingen bijna volledig uit te schakelen, fysieke trillingen, en elektromagnetische ruis, die allemaal meestal de kwantumcoherentie vernietigen.

De eenvoudige oplossing zou ontdekkingen op vrijwel elk gebied van de kwantumtechnologie kunnen ontsluiten, zeiden de wetenschappers.

"Deze aanpak creëert een pad naar schaalbaarheid, "zei Awschalom. "Het zou het opslaan van kwantuminformatie in elektronenspin praktisch moeten maken. Langere opslagtijden zullen complexere operaties in kwantumcomputers mogelijk maken en het mogelijk maken dat kwantuminformatie die door spin-gebaseerde apparaten wordt verzonden, langere afstanden in netwerken afleggen."

Hoewel hun tests werden uitgevoerd in een solid-state kwantumsysteem met siliciumcarbide, de wetenschappers geloven dat de techniek vergelijkbare effecten zou moeten hebben in andere soorten kwantumsystemen, zoals supergeleidende kwantumbits en moleculaire kwantumsystemen. Dit niveau van veelzijdigheid is ongebruikelijk voor een dergelijke technische doorbraak.

"Er zijn veel kandidaten voor kwantumtechnologie die aan de kant zijn geschoven omdat ze de kwantumcoherentie niet gedurende lange tijd konden behouden, " Zei Miao. "Die zouden opnieuw kunnen worden geëvalueerd nu we deze manier hebben om de samenhang enorm te verbeteren.

"Het leukste is, het is ongelooflijk gemakkelijk om te doen, " voegde hij eraan toe. "De wetenschap erachter is ingewikkeld, maar de logistiek van het toevoegen van een wisselend magnetisch veld is heel eenvoudig."