Zelfs in de wereld van de kleinste deeltjes met hun eigen speciale regels, dingen kunnen niet oneindig snel gaan. Natuurkundigen van de Universiteit van Bonn hebben nu aangetoond wat de snelheidslimiet is voor complexe kwantumoperaties. Bij de studie waren ook wetenschappers van MIT betrokken, de universiteiten van Hamburg, Keulen en Padua, en het Jülich Onderzoekscentrum. De resultaten zijn belangrijk voor de realisatie van kwantumcomputers, onder andere. Ze zijn gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordeling X , en gedekt door het Physics Magazine van de American Physical Society.

Stel je voor dat je een ober ziet (de lockdown is al verleden tijd) die op oudejaarsavond enkele minuten voor middernacht een heel dienblad met champagneglazen moet serveren. Op topsnelheid raast hij van gast naar gast. Dankzij zijn techniek geperfectioneerd gedurende vele jaren van werk, hij slaagt er niettemin in om geen enkele druppel van de kostbare vloeistof te morsen.

Een klein trucje helpt hem daarbij:terwijl de ober zijn stappen versnelt, hij kantelt het dienblad een beetje zodat de champagne niet uit de glazen loopt. Halverwege de tafel hij kantelt het in de tegenovergestelde richting en vertraagt. Pas als hij volledig tot stilstand is gekomen, houdt hij hem weer rechtop.

Atomen lijken in sommige opzichten op champagne. Ze kunnen worden beschreven als golven van materie, die zich niet als een biljartbal gedragen maar meer als een vloeistof. Iedereen die atomen zo snel mogelijk van de ene plaats naar de andere wil vervoeren, moet daarom net zo vaardig zijn als de ober op oudejaarsavond. "En zelfs dan er een snelheidslimiet is die dit vervoer niet mag overschrijden, " legt Dr. Andrea Alberti uit, die deze studie leidde aan het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de Universiteit van Bonn.

Cesiumatoom als champagnevervanger

In hun studie hebben waar deze grens precies ligt, hebben de onderzoekers experimenteel onderzocht. Ze gebruikten een cesiumatoom als vervanging voor champagne en twee laserstralen die perfect over elkaar heen waren geplaatst, maar als dienblad tegen elkaar gericht waren. Deze superpositie, interferentie genoemd door natuurkundigen, creëert een staande lichtgolf:een opeenvolging van bergen en dalen die aanvankelijk niet bewegen. "We laadden het atoom in een van deze valleien, en zette vervolgens de staande golf in beweging - dit verplaatste de positie van de vallei zelf, "zegt Alberti. "Ons doel was om het atoom in de kortst mogelijke tijd op de doellocatie te krijgen zonder uit de vallei te morsen, bij wijze van spreken."

Het feit dat er een snelheidslimiet is in de microkosmos werd al theoretisch aangetoond door twee Sovjet-fysici, Leonid Mandelstam en Igor Tamm meer dan 60 jaar geleden. Ze toonden aan dat de maximale snelheid van een kwantumproces afhangt van de energieonzekerheid, d.w.z., hoe "vrij" het gemanipuleerde deeltje is met betrekking tot zijn mogelijke energietoestanden:hoe meer energetische vrijheid het heeft, hoe sneller het is. In het geval van het transport van een atoom, bijvoorbeeld, hoe dieper de vallei waarin het cesiumatoom is opgesloten, hoe meer de energieën van de kwantumtoestanden in de vallei verspreid zijn, en uiteindelijk hoe sneller het atoom kan worden getransporteerd. Iets soortgelijks is te zien in het voorbeeld van de ober:als hij de glazen maar halfvol vult (tot ergernis van de gasten), hij loopt minder risico dat de champagne overloopt als hij versnelt en vertraagt. Echter, de energetische vrijheid van een deeltje kan niet willekeurig worden vergroot. "We kunnen onze vallei niet oneindig diep maken - het zou ons te veel energie kosten, ’ benadrukt Alberti.

Straal mij omhoog, Scotty!

De maximumsnelheid van Mandelstam en Tamm is een fundamentele limiet. Echter, men kan het alleen onder bepaalde omstandigheden bereiken, namelijk in systemen met slechts twee kwantumtoestanden. "In ons geval, bijvoorbeeld, dit gebeurt wanneer het punt van herkomst en bestemming heel dicht bij elkaar liggen, " legt de natuurkundige uit. "Dan overlappen de materiegolven van het atoom op beide locaties, en het atoom kan in één keer direct naar zijn bestemming worden getransporteerd, dat is, zonder tussenstops - bijna zoals de teleportatie in de Starship Enterprise van Star Trek."

Echter, de situatie is anders wanneer de afstand groeit tot enkele tientallen materiegolfbreedten zoals in het Bonn-experiment. Voor deze afstanden directe teleportatie is onmogelijk. In plaats daarvan, het deeltje moet verschillende tussentoestanden doorlopen om zijn eindbestemming te bereiken:het systeem met twee niveaus wordt een systeem met meerdere niveaus. Uit het onderzoek blijkt dat voor dergelijke processen een lagere snelheidslimiet geldt dan die voorspeld door de twee Sovjet-fysici:deze wordt niet alleen bepaald door de energieonzekerheid, maar ook door het aantal tussenliggende toestanden. Op deze manier, het werk verbetert het theoretische begrip van complexe kwantumprocessen en hun beperkingen.

De bevindingen van de natuurkundigen zijn niet in de laatste plaats belangrijk voor quantum computing. De berekeningen die mogelijk zijn met kwantumcomputers zijn meestal gebaseerd op de manipulatie van multi-level systemen. Kwantumstaten zijn erg kwetsbaar, Hoewel. Ze duren slechts een korte tijdspanne, die natuurkundigen coherentietijd noemen. Het is daarom belangrijk om zoveel mogelijk rekenkundige bewerkingen in deze tijd te stoppen. "Onze studie onthult het maximale aantal operaties dat we kunnen uitvoeren in de coherentietijd, Alberti legt uit. "Hierdoor is het mogelijk om er optimaal gebruik van te maken."