Atoomkernen intiem verstrengeld door quantummeting

Afbeelding 1: Twee atoomkernen verstrengeld
Artistieke impressie van twee atoomkernen (geel) die met elkaar verstrengeld zijn. De omliggende atoomkernen (grijze bollen) zijn van een andere isotoop die geen magnetisch moment (spin) heeft.

Afbeelding 2: Diamant
Afbeelding met een elektronenmicroscoop van de diamant die in de experimenten is gebruikt. De groene halve bol is een lens die met een gefocusseerde ionenbundel in het diamant is geëtst. Midden onder de lens bevinden zich de atoomkernen die verstrengeld zijn. De blauwe en gele structuren zijn on-chip electrodes die gemaakt zijn met nanolithografie. Schaal: breedte van de afbeelding is 50 micrometer.

Quantumtechnologie en verstrengeling
Quantumverstrengeling 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 quantum bits
Atoomkernen in diamant zijn veelbelovende bouwstenen voor een quantumcomputer. Deze atoomkernen gedragen zich als een klein magneetje (de ‘spin’). De twee mogelijke toestanden van de spin (omhoog of omlaag) kunnen gebruikt worden om quantuminformatie in te coderen. Onderzoekers van de TU Delft en FOM beschreven afgelopen jaar in het gerenommeerde tijdschrift Naturehoe ze de spintoestand van individuele atoomkernen kunnen uitlezen. In de ultrapure synthetische diamanten die het Engelse bedrijf Element Six produceert zijn de quantumtoestanden 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 quantummetingen te gebruiken.

Verstrengeld door een meting
Quantummetingen 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 quantummetingen een krachtig gereedschap voor het manipuleren van quantumsystemen. Het team gebruikte een elegante variatie op de conventionele quantummetingen 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 quantum algoritmes te demonstreren die buiten de quantummechanica 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 QuASAR programma’s.