9 jan. 2016
3 minuten
Nanotechnologen van onderzoeksinstituut Mesa+ van de Universiteit Twente hebben een nieuwe fundamentele eigenschap ontdekt van elektrische stroom in zeer kleine metalen circuits. Ze hebben laten zien hoe elektronen zich als golven over het circuit kunnen verspreiden en interferentie-effecten kunnen veroorzaken op plaatsen waar geen elektrische stroom doorheen wordt gestuurd.
De configuratie van het circuit speelt een cruciale rol in dit zogenoemde niet-lokale effect. De interferentie is een direct gevolg van het feit dat de elektronen zich als kwantummechanische golven gedragen en van de specifieke configuratie van het circuit. Voor ontwerpers van kwantumcomputers is dit een effect om rekening mee te houden. De resultaten zijn gepubliceerd in het Engelse tijdschrift Scientific Reports.
In de natuur is interferentie een veelvoorkomend verschijnsel. Het doet zich voor wanneer één of meer zich voortplantende golven coherent met elkaar in interactie zijn. Interferentie van geluids-, licht- of watergolven is bekend, maar ook de dragers van elektrische stroom – elektronen – kunnen interfereren. Daaruit blijkt dat elektronen ook als golven moeten worden beschouwd, in elk geval in nanocircuits bij extreem lage temperaturen, een klassiek voorbeeld van een beginsel uit de kwantummechanica: de dualiteit van golven en deeltjes.
Gouden ring
De onderzoekers van de Universiteit Twente hebben interferentie van elektronen aangetoond in een gouden ring met een diameter van slechts 500 nanometer. Aan de ene kant van de ring was een minuscule draad bevestigd waardoor een elektrische stroom kon worden gestuurd. Aan de andere kant van de ring zat een draad vast met daaraan een voltmeter. Toen er stroom op werd gezet en er een wisselend magnetisch veld door de ring werd gestuurd, ontdekten de onderzoekers dat er aan de andere kant van de ring interferentie van elektronen plaatsvond, ook al ging er netto geen stroom door de ring.
Hieruit blijkt dat de elektronengolven in de ring kunnen ‘lekken’ en de elektrische eigenschappen op een andere plaats in het circuit kunnen veranderen, zelfs al zou men normaal gesproken niet verwachten dat er iets zou gebeuren. Hoewel het elektronentransport door de gouden ring diffuus is (dat wil zeggen dat de vrije weglengte van de elektronen veel kleiner is dan de ring), was het effect verrassend duidelijk.
Kwantuminformatieverwerking
Het resultaat is een direct gevolg van het feit dat de kwantumvergelijkingen van beweging niet-lokaal zijn. Dat de natuur niet-lokaal is weten we ook dankzij een ander bekend soort niet-lokaliteit: de contra-intuïtieve eigenschap van objecten dat ze direct op de hoogte zijn van elkaars toestand, zelfs als ze door een grote afstand van elkaar zijn gescheiden. Einstein noemde dit verschijnsel ‘spookachtige werking op afstand’. Dankzij de Twentse resultaten kunnen we nu meer inzicht krijgen in het eerste type niet-lokaliteit, dat dynamische niet-lokaliteit wordt genoemd. Dit type speelt een belangrijke rol in alle experimenten met kwantuminterferentie. Het is bekend dat kwantuminterferentie wordt beïnvloed door decoherentie (wanneer de fysieke omgeving het fasegeheugen verstoort) of door het uitvoeren van een ‘welk-pad-meting’ (het verwijderen van de dynamische non-lokaliteit door het meten van het afgelegde pad). De onderzoekers van de Universiteit Twente hebben nu een nieuwe manier ontdekt om de dynamische niet-lokaliteit te beïnvloeden: de geometrie van het circuit. Begrip van dit fundamentele effect is van belang voor kwantuminformatieverwerking in de toekomst, bijvoorbeeld bij het ontwerpen van een kwantumcomputer.
E. Strambini*, K.S. Makarenko*, G. Abulizi, M.P. de Jong en W.G. van der Wiel, Geometric reduction of dynamical nonlocality in nanoscale quantum circuits, Sci. Rep. 5, 18827; doi: 10.1038/srep18827 (2015).
Dit onderzoek is gesubsidieerd door de Europese onderzoeksraad, ERC Starting Grant nummer 240433, en via het EC FP7-ICT-initiatief onder Project SiAM nummer 610637.
Anderen lazen ook
