Nieuwe mogelijkheden in quantumtechnologie door stabiele ytterbiumionen

Ytterbiumionen kunnen veel langer dan verwacht in zogenoemde metastabiele energietoestanden blijven dan eerder gedacht. Een samenwerkende groep onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en de University of New South Wales hebben zo aangetoond dat dit de ontwikkeling van quantumcomputers en uiterst nauwkeurige atoomklokken vooruit kan helpen.

Veel quantumcomputers en optische atoomklokken maken gebruik van opgesloten ionen. Deze elektrisch geladen atomen worden met elektromagnetische velden op hun plaats gehouden, waarna lasers worden gebruikt om ze nauwkeurig tussen verschillende energietoestanden te schakelen. De levensduur van zulke toestanden bepaalt mede hoe betrouwbaar en nauwkeurig deze systemen kunnen werken.

Metastabiele toestand

In het laboratorium van natuurkundige René Gerritsma brachten de onderzoekers een enkel ytterbiumion (Yb⁺) met een laser naar verschillende, tot nu toe nauwelijks onderzochte metastabiele toestanden. Door de vervaltijd nauwkeurig te meten en de resultaten te vergelijken met geavanceerde atoommodellen, konden zij de levensduur van deze toestanden karakteriseren. Daarbij bleek dat sommige toestanden aanzienlijk langer bestaan dan eerder experimenteel was aangetoond.

Vooral een toestand met een levensduur van ongeveer één seconde springt eruit. Volgens de onderzoekers is deze relatief eenvoudig vanuit de grondtoestand te bereiken met slechts één laserpuls. Dat maakt de toestand aantrekkelijk voor toepassingen waarin quantuminformatie tijdelijk moet worden opgeslagen of uiterst stabiele referentiesignalen nodig zijn, zoals in quantumcomputers en optische klokken.

Fawcett & Wilson

Het onderzoek levert bovendien een experimentele bevestiging op een vraag van vijfendertig jaar geleden van de theoretische natuurkundigen Fawcett en Wilson. Destijds berekenden zij een levensduur van ongeveer 5,2 seconden voor dezelfde energietoestand, maar een meting ontbrak nog. Ondanks de complexe energieniveaustructuur van het ytterbiumion blijkt die voorspelling opmerkelijk dicht bij de werkelijkheid te liggen.