Natuurkundigen van de Universiteit van Chicago hebben een "kwantumfluit" uitgevonden die, net als de rattenvanger, lichtdeeltjes kan dwingen samen te bewegen op een manier die nog nooit eerder is gezien.

Beschreven in twee studies gepubliceerd in Physical Review Letters en Natuurfysica , zou de doorbraak de weg kunnen wijzen naar het realiseren van kwantumgeheugens of nieuwe vormen van foutcorrectie in kwantumcomputers, en het observeren van kwantumverschijnselen die in de natuur niet te zien zijn.

Assoc. Het laboratorium van prof. David Schuster werkt aan kwantumbits - het kwantumequivalent van een computerbit - die de vreemde eigenschappen van deeltjes op atomair en subatomair niveau benutten om dingen te doen die anders onmogelijk zouden zijn. In dit experiment werkten ze met lichtdeeltjes, bekend als fotonen, in het microgolfspectrum.

Het systeem dat ze bedachten bestaat uit een lange holte gemaakt in een enkel blok metaal, ontworpen om fotonen op microgolffrequenties op te vangen. De holte wordt gemaakt door verspringende gaten te boren, zoals gaten in een fluit.

"Net als in het muziekinstrument," zei Schuster, "kun je een of meerdere golflengten van fotonen door het hele ding sturen, en elke golflengte creëert een 'noot' die kan worden gebruikt om kwantuminformatie te coderen." De onderzoekers kunnen vervolgens de interacties van de "noten" controleren met behulp van een master-quantumbit, een supergeleidend elektrisch circuit.

Maar hun vreemdste ontdekking was de manier waarop de fotonen zich samen gedroegen.

In de natuur hebben fotonen bijna nooit interactie - ze gaan gewoon door elkaar heen. Met een nauwgezette voorbereiding kunnen wetenschappers soms twee fotonen aanzetten om op elkaars aanwezigheid te reageren.

"Hier doen we iets nog vreemder," zei Schuster. "In het begin hebben de fotonen helemaal geen interactie, maar wanneer de totale energie in het systeem een ​​omslagpunt bereikt, praten ze ineens allemaal met elkaar."

Het is buitengewoon vreemd om zoveel fotonen met elkaar te laten 'praten' in een laboratoriumexperiment, vergelijkbaar met het zien van een kat die op achterpoten loopt.

"Normaal gesproken zijn de meeste deeltjesinteracties één-op-één - twee deeltjes die stuiteren of elkaar aantrekken," zei Schuster. "Als je een derde toevoegt, hebben ze meestal nog steeds een opeenvolgende interactie met de een of de ander. Maar dit systeem laat ze allemaal tegelijkertijd communiceren."

Hun experimenten testten slechts vijf "biljetten" tegelijk, maar de wetenschappers konden zich uiteindelijk voorstellen dat ze honderden of duizenden bankbiljetten door een enkele qubit zouden laten lopen om ze te controleren. Met een operatie die zo complex is als een kwantumcomputer, willen ingenieurs overal waar ze kunnen vereenvoudigen, zei Schuster:"Als je een kwantumcomputer met 1.000 bits zou willen bouwen en je ze allemaal met één bit zou kunnen besturen, zou dat ongelooflijk waardevol zijn ."

De onderzoekers zijn ook enthousiast over het gedrag zelf. Niemand heeft zoiets als deze interacties in de natuur waargenomen, dus de onderzoekers hopen ook dat de ontdekking nuttig kan zijn voor het simuleren van complexe fysieke verschijnselen die hier op aarde niet eens te zien zijn, inclusief misschien zelfs een deel van de fysica van zwarte gaten.

Verder zijn de experimenten gewoon leuk.

"Normaal gesproken vinden kwantuminteracties plaats over lengte- en tijdschalen die te klein of te snel zijn om te zien. In ons systeem kunnen we afzonderlijke fotonen in al onze aantekeningen meten en het effect van de interactie bekijken terwijl het gebeurt. Het is echt heel netjes om ' zie 'een kwantuminteractie met je oog', zei UChicago-postdoctoraal onderzoeker Srivatsan Chakram, de co-eerste auteur van het papier, nu een assistent-professor aan de Rutgers University. + Verder verkennen

Tweelingfotonen uit verschillende kwantumstippen