Dus Wat Is Eigenlijk een Kwantumbad?

Waarom dit belangrijk is

Laten we eerst beginnen met waarom dit onderwerp de moeite waard is. Je hebt vast wel eens gehoord dat kwantumcomputers de toekomst van de informatica zijn. Het probleem? Deze machines zijn ongelooflijk breekbaar. Écht heel erg breekbaar. De kleinste storing vanbuiten kan de delicate kwantumtoestanden volledig verstoren — en dát is nu juist waar kwantumcomputers op draaien.

Fysici proberen al jaren om kwantumcomputers met elkaar te verbinden die ver uit elkaar staan. Denk aan verschillende gebouwen of zelfs verschillende steden. Dit zou cruciaal zijn voor grote kwantumnetwerken en superslimme kwantumcomputers. Maar hier komt het: telkens als wetenschappers dit probeerden, moesten ze het proces handmatig besturen, constant meten en eigenlijk de hele boel in de gaten houden.

Daar komt verandering in, dankzij nieuw onderzoek van het Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Een team daar heeft iets gedemonstreerd dat klinkt als sciencefiction — ze gebruiken een "kwantumbad" om automatisch verstrengeling te maken en te behouden tussen gescheiden qubits. Qubits zijn de basisbouwstenen van kwantuminformatie.

Wat is verstrengeling eigenlijk?

Ik leg het zo simpel mogelijk uit. Stel je voor dat je twee munten hebt die op een of andere manier met elkaar verbonden zijn op een manier die verder gaat dan normale natuurkunde. Als je één munt opgooit en hij landt op kop, dan landt de andere munt ogenblikkelijk op munt — ook al ligt hij aan de andere kant van de Melkweg. Dat is verstrengeling. Einstein noemde het ooit "spooky action at a distance".

Nu is het al moeilijk genoeg om deze verbinding te maken tussen deeltjes die dicht bij elkaar staan. Maar twee kwantumcomputers op verschillende locaties met elkaar verstrengelen? Dat bleek ontzettend lastig. De traditionele methoden werken met het heen en weer sturen van losse fotonen, of beide qubits laten fotonen uitzenden die je dan probeert te koppelen. Het werkt allemaal, maar je hebt voortdurend actieve controle en talloze metingen nodig.

Waarom dit revolutionair is

Hier wordt ik enthousiast van. Het ISTA-team — geleid door promovendus Alejandro Andrés-Juanes en professor Johannes Fink — deed iets totaal anders. In plaats van tegen de omgeving te vechten, gebruikten ze die.

Hun "kwantumbad" is eigenlijk een gedeelde bron van gecorreleerde lichtdeeltjes (fotonen) die de qubits in een gecontroleerde kwantumomgeving baadt. Het bad zelf wordt de bron van verstrengeling, waardoor automatisch een stabiele verbinding ontstaat tussen verre qubits. Geen toezicht nodig.

"Het kwantumbad — dus de omgeving van de qubits — is de bron van verstrengeling," legt Fink uit. "Het creëert een nieuwe grondtoestand via een continue stroom van gecorreleerde fotonen. Op deze manier wordt de verstrengelde qubittoestand gestabiliseerd, zelfs voorbij de eigen 'levensduur' van de qubits, en blijft altijd beschikbaar als hulpbron voor verdere kwantumverwerking."

Denk even na over wat dit betekent: in plaats van verstrengeling tijdelijk te maken en hem meteen te moeten gebruiken voordat hij verdwijnt, blijft de verstrengelde toestand gewoon... aanwezig. Klaar wanneer je hem nodig hebt. Dat is enorm voor praktische toepassingen.

Waarom dit meer is dan een labexperiment

Hier is mijn kijk op waarom dit verder reikt dan de vakbladen. Het meeste onderzoek naar kwantumcomputing waar je over hoort, richt zich op het verbeteren van individuele qubits of het toevoegen van meer qubits aan één chip. Belangrijk werk, maar het is slechts de helft van de strijd.

Als we ooit kwantumcomputers willen die de wereld echt kunnen veranderen — denk aan het kraken van versleuteling, het simuleren van complexe moleculen voor medicijnontwikkeling, of het oplossen van optimalisatieproblemen waar klassieke computers miljoenen jaren over zouden doen — dan moeten we veel kwantumprocessoren aan elkaar koppelen. Zie het als computers met elkaar verbinden tot het internet.

De methoden die de Nobelprijs voor Natuurkunde 2022 wonnen (ja, dit verstrengelingsspul is Nobelwaardig) vereisen nog steeds actieve meting en slagen niet altijd. Ze zijn ook fragiel — je moet dat moment van verstrengeling grijpen en gebruiken voordat het verdwijnt.

Deze nieuwe aanpak? De verstrengeling is er gewoon al, onderhouden door de omgeving zelf. Het is het verschil tussen constant een horloge moeten opwinden of er een hebben dat gewoon blijft lopen.

De technische details, simpel uitgelegd

Het team gebruikte microgolf-fotonen om hun qubits te koppelen met de verstrengelde fotonenbron. Microgolf-fotonen zijn laagenergetische lichtdeeltjes die perfect zijn voor het manipuleren van kwantuminformatie — en ze staan al centraal in de meest geavanceerde supergeleidende kwantumcomputers.

Om te bewijzen dat alles werkte, gebruikten ze kwantumtomografie. Dat is een chique term voor het reconstrueren van wat er in een kwantumsysteem gebeurt door heel snel veel metingen te doen (slechts 20-80 nanoseconden) en dan het plaatje samen te stellen.

Wat dit voor de toekomst betekent

Ik wil dit niet overschatten — er liggen nog jaren van werk voor de boeg voordat dit commerciële technologie wordt. Maar conceptueel is dit belangrijk. We hebben het over een methode die "volledig autonoom" is en geen actieve controle of meting vereist. Voor een vakgebied dat worstelt met de complexiteit van kwantumsystemen is dat verfrissend.

Het idee zelf is niet nieuw — onderzoekers stelden deze theoretische aanpak meer dan twintig jaar geleden al voor. Maar dit is de eerste keer dat iemand het in de praktijk heeft gedemonstreerd. Dat is het verschil tussen weten dat iets zou moeten werken en het daadwerkelijk laten werken.

Dus de volgende keer dat je iemand hoort praten over het kwantuminternet of gedistribueerde kwantumcomputing, denk aan dit verhaal. Het antwoord zou wel eens kunnen komen door kwantumsystemen in hun eigen omgeving te laten baden, in plaats van te proberen elk detail te controleren. Soms is de beste oplossing om op te houden met micromanagement en de natuur zijn gang te laten gaan.

Bron: ScienceDaily