Oxford houdt quantumverbinding tussen atomen op twee plekken ruim tien seconden in stand
Natuurkundigen van de Universiteit van Oxford verbonden atomen van strontium en calcium op twee plekken tot één quantumtoestand. Door de verbinding door te geven aan calcium bleef die meer dan tien seconden bestaan, in plaats van milliseconden. Een stap naar netwerken van quantumcomputers.
Quantumcomputers rekenen met deeltjes die zich aan andere regels houden dan alles wat we gewend zijn. Een van die regels is verstrengeling: twee deeltjes kunnen zo met elkaar verbonden zijn dat ze één geheel vormen, ook als ze op verschillende plekken staan. Wat je met het ene deeltje doet, hangt direct samen met het andere.
Die verbinding is de sleutel tot een netwerk van quantumcomputers. Eén quantumcomputer kan maar een beperkt aantal rekeneenheden bevatten. Koppel je er een paar aan elkaar, dan kunnen ze samen veel grotere problemen aan. Maar verstrengeling is kwetsbaar. Een klein beetje storing uit de omgeving, zoals een trillend magneetveld, en de verbinding is weg. Vaak al binnen een fractie van een seconde.
Twee soorten atomen, elk met een eigen taak
Natuurkundigen van de Universiteit van Oxford hebben daar een slimme oplossing voor gevonden. Ze werkten met losse atomen die met elektrische velden op hun plek worden gehouden, in twee aparte opstellingen. Op elke plek stonden een atoom van strontium en een atoom van calcium.
De twee soorten atomen krijgen elk een eigen taak. Strontium is goed in het maken van een verbinding met behulp van licht. Zo verstrengelden de onderzoekers eerst de twee strontiumatomen op de twee plekken. Daarna gaven ze die verbinding op elke plek door aan het calciumatoom ernaast. Zo ontstond één gedeelde quantumtoestand met tot vier atomen, verspreid over de twee plekken.
Van milliseconden naar ruim tien seconden
Het voordeel van die overdracht is groot. Calcium is veel minder gevoelig voor storing door magneetvelden dan strontium. Waar de verbinding via strontium maar milliseconden bleef bestaan, hield die in het calcium meer dan tien seconden stand.
Je kunt het vergelijken met een gesprek via een snelle maar onrustige telefoonlijn. Zodra de boodschap binnen is, schrijf je hem over in een notitieboek dat niet meer kan wegwaaien. Strontium is de telefoonlijn, calcium het notitieboek.
Volgens de onderzoekers is dit de eerste keer dat verstrengeling tussen verschillende soorten atomen via een netwerk zo wordt beheerst. Hoofdauteur Dougal Main legt uit dat elk soort atoom zijn eigen sterke en zwakke punten heeft. Met meer soorten in één quantumcomputer kun je het beste van elk gebruiken. De resultaten verschenen in het vakblad Physical Review Letters.
Wat er nog moet gebeuren
De opstelling bestaat nu uit twee plekken met elk twee atomen. Voor een bruikbaar netwerk van quantumcomputers zijn veel meer atomen en verbindingen nodig, en de verbinding moet ook betrouwbaar genoeg blijven om er echt mee te rekenen. Medeauteur Gabriel Araneda ziet de methode als een bouwsteen voor netwerken waarin meerdere atomen op afstand dezelfde quantumtoestand moeten delen en vasthouden. Behalve voor quantumcomputers kan dat ook helpen bij heel gevoelige metingen op afstand en bij het vergelijken van atoomklokken.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Quantumcomputers kunnen ooit berekeningen doen die voor gewone computers onhaalbaar zijn, zoals het precies nabootsen van moleculen voor nieuwe medicijnen en materialen. Daarvoor moeten ze veel groter worden, en dat lukt waarschijnlijk door kleinere machines aan elkaar te koppelen. Een verbinding die tien seconden standhoudt in plaats van een paar milliseconden, geeft zo'n netwerk veel meer tijd om te werken.
Ook hier kan AI het tempo verhogen. Het afschermen van quantumtoestanden tegen storing is een puzzel met heel veel knoppen: welke atomen, welke toestanden, welke volgorde van stappen. AI-systemen zijn goed in het doorzoeken van zulke enorme keuzeruimtes en helpen nu al bij het ontwerpen van quantumexperimenten. Andersom kunnen grote quantumcomputers later AI-modellen helpen met berekeningen die nu buiten bereik liggen. Zo versterken de twee technieken elkaar op weg naar de toekomst.
