Hoe materialen zich gedragen, hangt af van de interacties tussen talloze atomen. Je zou dit kunnen zien als een gigantische groepschat waarin atomen continu kwantuminformatie uitwisselen. Onderzoekers van de TU Delft hebben in samenwerking met RWTH Aachen University en het Research Center Jülich nu een chat tussen twee atomen kunnen onderscheppen. Ze presenteren hun bevindingen in Wetenschap op 28 mei.

Atomen, natuurlijk, praat niet echt. Maar ze kunnen wel op elkaar reageren. Dit is met name het geval voor magnetische atomen. "Elk atoom draagt ​​een klein magnetisch moment genaamd spin. Deze spins beïnvloeden elkaar, zoals kompasnaalden doen als je ze dicht bij elkaar brengt. Als je een van hen een duwtje geeft, ze zullen op een heel specifieke manier samen gaan bewegen, " legt Sander Otte uit, leider van het team dat het onderzoek heeft uitgevoerd. "Maar volgens de wetten van de kwantummechanica, elke spin kan tegelijkertijd in verschillende richtingen wijzen, superpositie vormen. Dit betekent dat daadwerkelijke overdracht van kwantuminformatie plaatsvindt tussen de atomen, als een soort van gesprek."

Scherpe naald

Op grote schaal, dit soort informatie-uitwisseling tussen atomen kan tot fascinerende fenomenen leiden. Een klassiek voorbeeld is supergeleiding:het effect waarbij sommige materialen alle elektrische weerstand verliezen onder een kritische temperatuur. Hoewel goed begrepen voor de eenvoudigste gevallen, niemand weet precies hoe dit effect in veel complexe materialen tot stand komt. Maar het is zeker dat magnetische kwantuminteracties een sleutelrol spelen. Om fenomenen als deze te proberen te verklaren, wetenschappers zijn erg geïnteresseerd in het kunnen onderscheppen van deze uitwisselingen; om de gesprekken tussen atomen af ​​te luisteren.

In het team van Otte gaan ze daar nogal direct mee om:ze zetten letterlijk twee atomen naast elkaar om te kijken wat er gebeurt. Dit is mogelijk dankzij een scanning tunneling microscoop:een apparaat waarin een scherpe naald atomen één voor één kan aftasten en zelfs kan herschikken. Met dit apparaat plaatsten de onderzoekers twee titaniumatomen op een afstand van iets meer dan een nanometer - een miljoenste van een millimeter - van elkaar. Op die afstand, de atomen zijn nog net in staat om elkaars spin te detecteren. Als je nu een van de twee spins zou draaien, het gesprek zou vanzelf beginnen.

Gebruikelijk, deze draai wordt uitgevoerd door zeer nauwkeurige radiosignalen naar de atomen te sturen. Deze zogenaamde spinresonantietechniek - die nogal doet denken aan het werkingsprincipe van een MRI-scanner die in ziekenhuizen wordt aangetroffen - wordt met succes toegepast bij onderzoek naar kwantumbits. Deze tool is ook beschikbaar voor het Delftse team, maar het heeft een nadeel. "Het gaat gewoon te langzaam, " zegt promovendus Lukas Veldman, hoofdauteur op de Wetenschap publicatie. "Je bent nog maar net begonnen met het draaien van de ene spin of de andere begint mee te draaien. Zo kun je nooit onderzoeken wat er gebeurt als je de twee spins in tegengestelde richting plaatst."

onorthodoxe benadering

Dus probeerden de onderzoekers iets onorthodoxs:ze keerden de spin van een van de twee atomen snel om met een plotselinge uitbarsting van elektrische stroom. Tot hun verbazing, deze drastische aanpak resulteerde in een prachtige kwantuminteractie, precies volgens het boekje. Tijdens de pols, elektronen botsen met het atoom, waardoor zijn spin gaat draaien. Otte:"Maar we gingen er altijd vanuit dat tijdens dit proces, de delicate kwantuminformatie - de zogenaamde coherentie - ging verloren. Ten slotte, de elektronen zijn onsamenhangend:de geschiedenis van elk elektron vóór de botsing is iets anders en deze chaos wordt overgebracht naar de spin van het atoom, elke samenhang teniet doen."

Het feit dat dit nu niet waar lijkt te zijn, was aanleiding voor enige discussie. Blijkbaar, elk willekeurig elektron, ongeacht zijn verleden, kan een coherente superpositie initiëren:een specifieke combinatie van elementaire kwantumtoestanden die volledig bekend is en die de basis vormt voor bijna elke vorm van kwantumtechnologie.

Perfecte superpositie

"De crux is dat het afhangt van de vraag die je stelt, " betoogt Markus Ternes, co-auteur van de RWTH Aachen University en het Research Center Jülich. "Het elektron keert de spin van een atoom om, waardoor het gaat wijzen, zeggen, naar links. Je zou dit kunnen zien als een meting, het wissen van alle kwantumgeheugen. Maar vanuit het oogpunt van het gecombineerde systeem dat beide atomen omvat, de resulterende situatie is helemaal niet zo alledaags. Voor de twee atomen samen, de nieuwe staat vormt een perfecte superpositie, het mogelijk maken van de uitwisseling van informatie tussen hen. Cruciaal om dit te laten gebeuren, is dat beide spins verstrengeld raken:een eigenaardige kwantumtoestand waarin ze meer informatie over elkaar delen dan klassiek mogelijk is."

De ontdekking kan van belang zijn voor onderzoek aan quantumbits. Misschien kun je ook in dat onderzoek wegkomen door iets minder voorzichtig te zijn bij het initialiseren van kwantumtoestanden. Maar voor Otte en zijn team is het vooral het startpunt van nog mooiere experimenten. Veldman:"hier gebruikten we twee atomen, maar wat gebeurt er als je er drie gebruikt? of tien, of duizend? Dat kan niemand voorspellen, omdat rekenkracht tekortschiet voor dergelijke getallen. Misschien zullen we op een dag kunnen luisteren naar kwantumgesprekken die niemand ooit eerder kon horen."