Quantumfysica zal ons nog snellere computers en afluisterveilige communicatie moeten gaan opleveren. Er is echter nog een aantal problemen dat moet worden opgelost voordat het tot een doorbraak komt. Een prototype van een quantuminterface, ontwikkeld aan het Instituut voor Wetenschap en Technologie (IST) Oostenrijk, brengt ons een stap dichter bij quantuminternet. De overdracht van informatie van de ene quantumcomputer naar de andere wordt hiermee mogelijk.

Een probleem met quantumcomputers is dat de elektronica alleen werkt bij extreem lage temperaturen van een paar duizendste van een graad boven het absolute nulpunt (-273,15 °C). Als de temperatuur in de computer stijgt, wordt alle informatie vernietigd. De reden hiervoor is supergeleiding – een macroscopische quantumtoestand van materialen waarvan de elektrische weerstand abrupt tot nul daalt als de temperatuur onder de overgangstemperatuur daalt. In het geval van de quantumcomputer zijn dit magnetronfotonen die zeer gevoelig zijn voor lawaai en verliezen.

Deze temperatuurgevoeligheid maakt het momenteel bijna onmogelijk om informatie van de ene quantumcomputer naar de andere over te dragen. De informatie zou door een omgeving moeten gaan waar deze bij hoge temperaturen niet kan overleven.

Luister nu naar De IO Show!

Elke week het nieuws van Innovation Origins in je oren!

Uitdaging

Netwerken van klassieke computers zijn meestal verbonden via optische kabels, die zeer storingsbestendig zijn. Er zijn twee scenario’s om deze succesvolle technologie ook voor quantumcomputers te gebruiken:

  • Een verbinding maken die de magnetron-fotonen van de quantumcomputer kan omzetten in optische informatiedragers;
  • Het ontwikkelen van een apparaat dat verstrengelde magnetrongolven en optische velden genereert als basis voor quantum-teleportatie; een zogeheten mechanische oscillator.

Beide varianten beloven een brug te slaan tussen het optische systeem bij kamertemperatuur en de koude quantumwereld, verklaart Shabir Barzanjeh, postdoc in de groep van professor Johannes Fink aan het Institute of Science and Technology (IST) Oostenrijk. Hij is de eerste auteur van een onlangs in Nature gepubliceerde studie die een mechanische oscillator produceerde die kan dienen als interface tussen de gevoelige koude quantumcomputers en de signalen in optische vezels.

Principe van verstrengeling

De onderzoekers maakten gebruik van verstrengeling, een van de basisprincipes van de quantummechanica. Dit beschrijft een verbinding tussen twee deeltjes waarbij een toestandsverandering van het ene deeltje tegelijkertijd leidt tot een overeenkomstige verandering van het andere deeltje. Het fenomeen wordt al gebruikt in quantumcryptografie voor de veilige encryptie van gegevens, maar is ook geschikt voor gebruik in magnetronstraling. Barzanjeh: “Stel je een doos voor met twee uitgangen voor…. Als de uitgangen verstrengeld zijn, kan de straling die door de een wordt uitgezonden, worden gekenmerkt door het observeren van de ander.”

Enorm voor de quantumwereld

Op zich is het verstrengelen van straling al eerder gebeurd. Maar de onderzoekers rond professor Fink gebruikten voor het eerst een mechanisch object. De door de groep gegenereerde siliciumstraal meet dertig micrometer en bevat een totaal aantal van ongeveer een biljoen atomen. Dit is enorm voor de quantumwereld. Quantumeffecten zijn het gemakkelijkst te exploiteren op atomair niveau. Het is veel moeilijker om ze op grotere schaal te realiseren. Barzanjeh:

“De vraag die we onszelf stelden was: Kun je met zo’n groot systeem verstrengelde straling genereren? Nu weten we dat het antwoord ja is.”

Andere toepassingen

Er zijn echter nog andere mogelijke toepassingen voor de mechanische oscillator. Het kan ook de prestaties van gravitatiegolfdetectoren verbeteren. Dit is een experimentele opstelling die kleine ruimte-tijd verstoringen (gravitatiegolven) meet, voorspeld door Albert Einstein’s algemene relativiteitstheorie.

Professor Fink ziet nog meer algemene toepassingen voor de mechanische oscillator:

“Ons meetprincipe kan (….) in de toekomst bijdragen aan het verifiëren of vervalsen van het potentiële quantumkarakter van andere systemen die moeilijk te bestuderen zijn, zoals levende organismen of het zwaartekrachtsveld.”

Ook interessant: Schrödinger’s cat learns to fly