Het frustrerende probleem met kwantumtechnologie

Laten we het eens hebben over waarom kwantumtechnologie in de praktijk zo ongelooflijk moeilijk te gebruiken is.

Je hebt vast gehoord over kwantumcomputers en hoe ze de wereld zouden veranderen – van geneeskunde tot bankieren. Hier is het probleem: vrijwel elk kwantummateriaal dat we ooit ontdekt hebben, werkt alleen maar als het ijskoud is. Zo koud als bijna het absolute nulpunt.

Bij normale temperaturen trillen atomen constant rond alsof ze hyperactieve peuters zijn. Die trillingen verstoren de delicate kwantumeffecten waar onderzoekers gebruik van willen maken volledig. Het is net alsof je een rustig gesprek probeert te voeren op een rockconcert – dat gaat gewoon niet lukken.

De traditionele oplossing? Gigantische koelsystemen bouwen om alles bevroren te houden. Werkt prima in een lab. Een stuk minder praktisch als je een kwantumcomputer in een datacentrum wilt of een kwantumsensor in een vliegtuig.

Een team dat dacht: "Wij maken er zelf wel eentje"

Hier is wat ik zo geweldig vind aan dit verhaal: in plaats van te zoeken naar het perfecte materiaal in de natuur, besloten onderzoekers van de Louisiana State University er zelf eentje te ontwerpen.

Onder leiding van universitair docent Omar S. Magaña-Loaiza koos het team voor een andere aanpak. Ze legden een dun laagje goud op een glazen chip en gebruikten gerichte ionenstralen om honderden minuscuul kleine spleten in het metaal te snijden. Elke spleet werkt als een "kunstmatig atoom" oftewel een "meta-atoom."

Samen vormen deze meta-atomen iets dat in de natuur niet bestaat – een kristal dat ons planeet nog nooit heeft voortgebracht. En het mooiste? Het hele ding is dunner dan een menselijke haar.

Wanneer licht op de chip valt, reist het over het gouden oppervlak en werkt het samen met deze ingenieuze structuren. Door de grootte, vorm en afstand van de meta-atomen zorgvuldig aan te passen, kregen de onderzoekers precieze controle over hoe het materiaal op licht reageert.

De magie van licht sorteren

Nu wordt het echt interessant.

Licht is niet allemaal hetzelfde op kwantumniveau. Zonlicht, laserlicht en fluoriscerend licht bestaan allemaal uit fotonen, maar die fotonen fluctueren en werken op verschillende manieren met elkaar. Het identificeren van deze verschillen vereiste traditioneel ongelooflijk complexe apparatuur, cryogeen gekoelde detectoren en miljoenen individuele metingen.

De nieuwe metakristal doet dit sorteren automatisch. Het kan subtiele kwantumverschillen in invallend licht detecteren en verschillende kwantumtoestanden langs aparte routes door de kristal zelf sturen.

"Door de verdeling van meta-atomen in de plasmonische metakristal te ontwerpen, kunnen we systematisch bepalen welke kwantumstatistieken door de structuur mogen passeren," legde Riley B. Dawkins uit, een recent afgestudeerde doctorandus die hielp bij het bouwen van de kristal. "Onze kristal werkt eigenlijk als een statistisch filter op kwantumtoestanden."

Professor Magaña-Loaiza noemt dit "robuust transport." De kristal kan onderscheid maken tussen verschillende kwantumtoestanden en ze van het ene naar het andere punt verplaatsen zonder hun essentiële eigenschappen te verwarren – en zonder cryogene koeling nodig te hebben.

Waarom dit ertoe doet (en nogal)

Laten we eens nadenken over wat dit eigenlijk betekent.

Op dit moment bestaan kwantumcomputers wel, maar ze zijn eigenlijk wetenschappelijke instrumenten in plaats van praktische apparaten. Ze vereisen uitgebreide koelsystemen, zorgvuldig onderhoud en gespecialiseerde expertise. Het is alsof je een team van ingenieurs nodig hebt om alleen maar je laptop te laten draaien.

Als kwantummaterialen bij kamertemperatuur kunnen werken, verandert plotseling alles. Kwantumcomputers zouden toegankelijker kunnen worden. Kwantumcommunicatiesystemen könnn praktisch worden voor alledaagse veilige transacties. Geavanceerde kwantumsensoren könnn op locatie worden ingezet, niet alleen in laboratoria.

De onderzoekers legden ook een breder ontwerpprincipe vast dat andere wetenschappers kunnen gebruiken om geheel nieuwe families van kwantummaterialen te creëren. Dit is niet zomaar één doorbraak – het is een routekaart voor nog veel meer.

Chenglong You, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het team die nu in China doceert, beschreef het bevredigende moment dat hun ongewone ontwerp precies zo presteerde als de theorie voorspelde: "Een van de spannendste onderdelen van dit project was beseffen dat we een materiaal konden bouwen dat iets doet wat de natuur niet zomaar biedt. Zien dat het exact werkte zoals we hadden voorspeld, was ongelooflijk lonend."

Het grotere plaatje

Hier is mijn visie: we hebben kwantumtechnologie behandeld als een breekbare bloem die alleen bloeit onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden. Dit onderzoek suggereert dat we misschien hardere varianten kunnen ontwerpen.

De kwantumtoekomst hoeft niet bevroren te zijn. En dat is best opwindend om over na te denken.

Bron: ScienceDaily