Een team van onderzoekers van het Niels Bohr Instituut, Universiteit van Kopenhagen, zijn erin geslaagd om twee zeer verschillende kwantumobjecten met elkaar te verstrengelen. Het resultaat heeft verschillende potentiële toepassingen in ultraprecieze detectie en kwantumcommunicatie en is nu gepubliceerd in Natuurfysica .

Verstrengeling is de basis voor kwantumcommunicatie en kwantumdetectie. Het kan worden opgevat als een kwantumverbinding tussen twee objecten waardoor ze zich gedragen als een enkel kwantumobject.

Onderzoekers slaagden erin een verstrengeling te maken tussen een mechanische oscillator - een trillend diëlektrisch membraan - en een wolk van atomen, elk fungeert als een kleine magneet, of wat natuurkundigen 'spin' noemen. Deze zeer verschillende entiteiten konden worden verstrengeld door ze te verbinden met fotonen, deeltjes licht. Atomen kunnen nuttig zijn bij het verwerken van kwantuminformatie en het membraan - of mechanische kwantumsystemen in het algemeen - kunnen nuttig zijn voor de opslag van kwantuminformatie.

Professor Eugene Polzik, wie leidde de inspanning, stelt dat:"Met deze nieuwe techniek, we zijn op weg om de grenzen van de mogelijkheden van verstrengeling te verleggen. Hoe groter de objecten, hoe verder ze uit elkaar staan, hoe ongelijker ze zijn, des te interessanter wordt de verstrengeling vanuit zowel fundamentele als toegepaste perspectieven. Met het nieuwe resultaat verstrengeling tussen zeer verschillende objecten is mogelijk geworden."

Om verstrikking te begrijpen, vasthouden aan het voorbeeld van spins verstrengeld met een mechanisch membraan, stel je de positie van het trillende membraan voor en de helling van de totale spin van alle atomen, vergelijkbaar met een tol. Als beide objecten willekeurig bewegen, maar als je ziet dat je tegelijkertijd naar rechts of links beweegt, dat heet een correlatie. Een dergelijke gecorreleerde beweging is normaal gesproken beperkt tot de zogenaamde nulpuntsbeweging - de resterende, ongecorreleerde beweging van alle materie die optreedt, zelfs bij een temperatuur van het absolute nulpunt. Dit beperkt de kennis over elk van de systemen.

In hun experiment hebben Eugene Polzik's team verstrengelde de systemen, wat betekent dat ze op een gecorreleerde manier bewegen met een precisie die beter is dan de nulpuntsbeweging. "Kwantummechanica is als een tweesnijdend zwaard - het geeft ons prachtige nieuwe technologieën, maar beperkt ook de nauwkeurigheid van metingen die vanuit een klassiek oogpunt eenvoudig lijken, " zegt een teamlid, Michael Parniak. Verstrengelde systemen kunnen perfect gecorreleerd blijven, zelfs als ze zich op een afstand van elkaar bevinden - een kenmerk dat onderzoekers vanaf de geboorte van de kwantummechanica meer dan 100 jaar geleden voor een raadsel heeft gesteld.

doctoraat student Christoffer Østfeldt legt verder uit:"Stel je de verschillende manieren voor om kwantumtoestanden te realiseren als een soort dierentuin van verschillende werkelijkheden of situaties met zeer verschillende kwaliteiten en mogelijkheden. Als, bijvoorbeeld, we willen een soort apparaat bouwen, om de verschillende kwaliteiten te benutten die ze allemaal bezitten en waarin ze verschillende functies vervullen en een andere taak oplossen, het zal nodig zijn om een ​​taal uit te vinden die ze allemaal kunnen spreken. De kwantumtoestanden moeten kunnen communiceren, zodat we het volledige potentieel van het apparaat kunnen benutten. Dat is waartoe deze verstrengeling tussen twee elementen in de dierentuin nu in staat is."

Een specifiek voorbeeld van perspectieven van verstrengeling van verschillende kwantumobjecten is kwantumdetectie. Verschillende objecten zijn gevoelig voor verschillende externe krachten. Bijvoorbeeld, mechanische oscillatoren worden gebruikt als versnellingsmeters en krachtsensoren, terwijl atomaire spins worden gebruikt in magnetometers. Wanneer slechts één van de twee verschillende verstrengelde objecten onderhevig is aan externe verstoring, verstrengeling maakt het mogelijk om het te meten met een gevoeligheid die niet wordt beperkt door de nulpuntfluctuaties van het object.

Er is een vrij directe mogelijkheid om de techniek toe te passen bij het waarnemen van zowel kleine als grote oscillatoren. Een van de grootste wetenschappelijke nieuwtjes van de afgelopen jaren was de eerste detectie van zwaartekrachtgolven, gemaakt door de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO). LIGO detecteert en meet extreem zwakke golven veroorzaakt door astronomische gebeurtenissen in de verre ruimte, zoals fusies van zwarte gaten of fusies van neutronensterren. De golven kunnen worden waargenomen omdat ze de spiegels van de interferometer schudden. Maar zelfs de gevoeligheid van LIGO wordt beperkt door de kwantummechanica, omdat ook de spiegels van de laserinterferometer worden geschud door de nulpuntfluctuaties. Die fluctuaties leiden tot ruis waardoor waarneming van de kleine beweging van de spiegels veroorzaakt door zwaartekrachtsgolven wordt verhinderd.

Het is, in principe, mogelijk om verstrengeling van de LIGO-spiegels met een atomaire wolk te genereren en zo de nulpuntruis van de spiegels op dezelfde manier op te heffen als voor de membraanruis in het huidige experiment. De perfecte correlatie tussen de spiegels en de atomaire spins vanwege hun verstrengeling kan in dergelijke sensoren worden gebruikt om onzekerheid vrijwel uit te wissen. Het vereist eenvoudigweg informatie uit het ene systeem halen en de kennis toepassen op het andere. Op zo'n manier, men zou tegelijkertijd zowel de positie als het momentum van de spiegels van LIGO kunnen leren, het betreden van een zogenaamde kwantummechanica-vrije deelruimte en een stap zetten naar grenzeloze precisie van bewegingsmetingen. Een modelexperiment dat dit principe demonstreert, is onderweg in het laboratorium van Eugene Polzik.