Atoomkernen intiem verstrengeld door kwantummeting

Kwantumverstrengeling is een van de meest intrigerende fenomenen in de natuurkunde. Als twee deeltjes verstrengeld zijn, zijn hun eigenschappen zo sterk met elkaar verbonden dat ze hun eigen identiteit verliezen. Worden beide deeltjes gemeten dan zullen de meetuitkomsten volledig gecorreleerd zijn, zelfs als de deeltjes ver van elkaar verwijderd zijn. Einstein noemde dit in een beroemde uitspraak ‘spookachtige actie op afstand’. Pas nadat John Bell een ongelijkheid vond waarmee deze vreemde eigenschappen kon worden bewezen, werd verstrengeling geaccepteerd als fundamenteel onderdeel van de natuur. Tegenwoordig wordt verstrengeling gezien als een uniek ingrediënt voor revolutionaire nieuwe technologieën die veilige communicatie en ultrasnelle berekeningen mogelijk kunnen maken.

Atoomkernen als kwantumbits

Atoomkernen in diamant zijn veelbelovende bouwstenen voor een kwantumcomputer. Deze atoomkernen gedragen zich als een klein magneetje (de ‘spin’). De twee mogelijke toestanden van de spin (omhoog of omlaag) kunnen worden gebruikt om kwantuminformatie in te coderen. Onderzoekers van de TU Delft en FOM beschreven afgelopen jaar in het gerenommeerde tijdschrift Nature hoe ze de spintoestand van individuele atoomkernen kunnen uitlezen. In de ultrapure synthetische diamanten die het Engelse bedrijf Element Six produceert zijn de kwantumtoestanden van de atoomkernen ook nog eens heel goed beschermd. Maar omdat de wisselwerking tussen kernspins in diamant erg zwak is, is het maken van de voor technologieën vereiste verstrengeling een grote uitdaging. Een team van de TU Delft en van Element Six onder leiding van FOM-werkgroepleider dr.ir. Ronald Hanson is het nu gelukt om de verstrengeling te maken door een speciale eigenschap van kwantummetingen te gebruiken.

Verstrengeld door een meting

Kwantummetingen geven niet alleen informatie over een systeem, maar ze dwingen het systeem ook te kiezen tussen de mogelijke toestanden. Door deze eigenschap van projectie zijn kwantummetingen een krachtig gereedschap voor het manipuleren van kwantumsystemen. Het team gebruikte een elegante variatie op de conventionele kwantummetingen om de verstrengeling te maken. In plaats van elke atoomkern apart te ondervragen, hebben ze een gezamenlijke eigenschap van de twee atoomkernen gemeten zonder iets over de toestand van de atoomkernen afzonderlijk te weten te komen. De meting dwong de atoomkernen om precies dezelfde kant op te wijzen, of precies de tegenovergestelde kant, en maakte zo de gewenste correlaties.

Richting teleportatie

De onderzoekers hebben bewezen dat de atoomkernen inderdaad verstrengeld waren door de fameuze ongelijkheid van Bell te schenden – een primeur voor spins in een vaste stof. Het team wil nu de verstrengeling gebruiken om elementaire kwantumalgoritmes te demonstreren die buiten de kwantummechanica niet mogelijk zijn, zoals de teleportatie van spintoestanden.

Dit onderzoek is mogelijk gemaakt door de Stichting FOM, NWO, de Europese Commissie (Solid, Diamant) en de Darpa Quest en Kwasar programma’s.

"Demonstration of entanglement-by-measurement of solid-state qubits", Wolfgang Pfaff¹, Tim H. Taminiau¹, Lucio Robledo¹, Hannes Bernien¹, Matthew Markham², Daniel J. Twitchen², and Ronald Hanson¹* DOI: 10.1038/NPHYS2444

¹Kavli Institute of Nanoscience Delft, Delft University of Technology, P.O. Box 5046, 2600 GA Delft, The Netherlands

²Element Six, Ltd., Kings Ride Park, Ascot, Berkshire SL5 8BP, United Kingdom

.

Figuur 1.Twee atoomkernen verstrengeld :

Figuur 2. Diamant