Onderzoekers hebben grote ideeën over het potentieel van kwantumtechnologie, van onhackbare netwerken tot aardbevingssensoren. Maar al deze dingen zijn afhankelijk van een groot technologisch hoogstandje:het kunnen bouwen en controleren van systemen van kwantumdeeltjes, die tot de kleinste objecten in het universum behoren.

Dat doel komt nu een stap dichterbij met de publicatie van een nieuwe methode door wetenschappers van de University of Chicago. Gepubliceerd op 28 april in Natuur , het artikel laat zien hoe je meerdere moleculen tegelijk in een enkele kwantumtoestand kunt brengen - een van de belangrijkste doelen in de kwantumfysica.

"Mensen proberen dit al tientallen jaren te doen, dus we zijn erg enthousiast, " zei senior auteur Cheng Chin, een professor in de natuurkunde aan UChicago die zei dat hij dit doel al wilde bereiken sinds hij in de jaren negentig afstudeerde. "Ik hoop dat dit nieuwe velden kan openen in de kwantumchemie met veel lichamen. Er zijn aanwijzingen dat er veel ontdekkingen wachten."

Een van de essentiële toestanden van materie wordt een Bose-Einstein-condensaat genoemd:wanneer een groep deeltjes afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt een kwantumtoestand deelt, de hele groep begint zich te gedragen alsof het een enkel atoom is. Het is een beetje alsof je een hele band overhaalt om volledig in de pas te marcheren terwijl je in harmonie speelt - moeilijk te bereiken, maar als het gebeurt, er gaat een hele nieuwe wereld van mogelijkheden open.

Wetenschappers kunnen dit al enkele decennia met atomen, maar wat ze heel graag zouden willen doen, is het met moleculen kunnen doen. Zo'n doorbraak kan als onderbouwing dienen voor vele vormen van kwantumtechnologie.

Maar omdat moleculen groter zijn dan atomen en veel meer bewegende delen hebben, de meeste pogingen om ze te benutten zijn in chaos ontaard. "Atomen zijn eenvoudige bolvormige objecten, terwijl moleculen kunnen trillen, draaien, draag kleine magneten, "zei Chin. "Omdat moleculen zoveel verschillende dingen kunnen doen, het maakt ze nuttiger, en tegelijkertijd veel moeilijker te controleren."

De groep van Chin wilde profiteren van een paar nieuwe mogelijkheden in het lab die onlangs beschikbaar waren gekomen. Vorig jaar, ze begonnen te experimenteren met het toevoegen van twee voorwaarden.

De eerste was om het hele systeem nog verder af te koelen - tot 10 nanokelvin, een gespleten haar boven het absolute nulpunt. Daarna stopten ze de moleculen in een kruipruimte zodat ze plat werden vastgemaakt. "Typisch, moleculen willen alle kanten op bewegen, en als je dat toestaat, ze zijn veel minder stabiel, " zei Chin. "We hebben de moleculen opgesloten zodat ze zich op een 2D-oppervlak bevinden en slechts in twee richtingen kunnen bewegen."

Het resultaat was een set van vrijwel identieke moleculen - opgesteld met exact dezelfde oriëntatie, dezelfde trillingsfrequentie, in dezelfde kwantumtoestand.

De wetenschappers beschreven dit moleculaire condensaat als een ongerept vel nieuw tekenpapier voor kwantumtechnologie. "Het is het absoluut ideale startpunt, ' zei Chin. 'Bijvoorbeeld, als je kwantumsystemen wilt bouwen om informatie vast te houden, je hebt een schone lei nodig om op te schrijven voordat je die informatie kunt formatteren en opslaan."

Tot dusver, ze zijn in staat geweest om tot een paar duizend moleculen aan elkaar te koppelen in zo'n staat, en beginnen het potentieel ervan te verkennen.

"Op de traditionele manier om over chemie te denken, je denkt aan een paar atomen en moleculen die botsen en een nieuw molecuul vormen, ' zei Chin. 'Maar in het kwantumregime, alle moleculen werken samen, in collectief gedrag. Dit opent een geheel nieuwe manier om te onderzoeken hoe moleculen allemaal samen kunnen reageren om een ​​nieuw soort molecuul te worden.

"Dit is al een doel van mij sinds ik een student was, " hij voegde toe, "dus we zijn erg, heel blij met dit resultaat."