Een slim experiment houdt Schrödingers kat levend – en dood – na in tweeën gezaagd te zijn. Deze stunt zou uiteindelijk kunnen helpen quantumnetwerken in een werkende computer te bouwen.
Gelukkig is de techniek niet getest op een echte kat, maar op elektromagnetische golven – zoals licht – die dezelfde rol kunnen vervullen als de beroemde kat in het gedachte-experiment van Erwin Schrödinger.
Quantumdeeltjes kunnen op twee verschillende plaatsen tegelijkertijd zijn – in superpositie. Een lichtdeeltje, een zogeheten foton, kan zo bijvoorbeeld tegelijkertijd verticaal als horizontaal gepolariseerd worden. Deze superpositie blijft in stand tot er een meting gedaan wordt en de foton een van de twee toestanden aanneemt.
Schrödinger meende dat als quantumregels ook zouden gelden voor de macroscopische wereld, een kat in een gesloten doos op hetzelfde moment zowel dood als levend zou kunnen zijn – in ieder geval tot je de doos opent.
Microgolffotonen in een doos kunnen gedwongen worden deze ‘kattentoestand’ aan te nemen. In een normale situatie schommelt de kracht van elektromagnetische golven zoals een pendule in een oude klok heen en weer beweegt. Maar het is mogelijk de tegenovergestelde golf in de doos te introduceren en zo een toestand te creëren waarin de golven twee tegenstrijdig lijkende dingen tegelijkertijd doen.
‘Het is alsof zo’n pendule tegelijkertijd naar links en naar rechts beweegt’, zegt Chen Wang, ten tijde van het experiment werkzaam aan de Yale-universiteit.
De gochelaarssassistente
Het experiment van Wang gaat nog een stap verder. Zijn team maakte twee holtes van aluminiumfolie waarin de microgolffotonen rond konden stuiteren. Daarna verbonden ze de holtes aan een kanaal: een supergeleider in de vorm van een saffieren chip en een aluminium netwerk, waarover elektrische signalen zouden kunnen lopen.
Denk aan die chip als een aan-uitschakelaar. Als hij ‘aan’ staat en het kanaal is open zouden de microgolven in de verbonden holte met een andere frequentie oscilleren dan wanneer de schakelaar op ‘uit’ zou staan.
Maar in lijn met de quantumwereld is het mogelijk de brug tussen beide holtes tegelijkertijd aan en uit te hebben staan. ‘Zodra dat gebeurt hebben beide holtes twee frequenties tegelijkertijd’, zegt Wang.
De truc is dan om de verbinding te verbreken en te laten zien dat de twee kanten nog steeds verbonden zijn, met één hele, functionerende half-levende kat verdeeld over twee dozen, als een goochelaarsassistente die glimlacht en zwaait nadat ze in tweeën gezaagd is.
Het team van Wang schakelde de chip volledig uit en testte of de twee holtes nog steeds samenwerken. Maar om te achterhalen of hij een kattentoestand had, kon hij niet simpelweg de doos openen om te kijken.
‘Je kunt altijd de vraag stellen: ben je dood of levend?’ zeg Wang. ‘Maar die vraag vertelt je niet of het echt quantumsuperpositie is, of dat je de halve kans op een dode en de halve kans op een dode hebt geprepareerd.’
In plaats daarvan moest het team een vraag stellen die de kattentoestand zou onthullen zonder ‘m te verstoren. Ze maten het aantal fotonen in beide dozen, in de wetenschap dat kattentoestanden bestaand uit elektromagnetische golven altijd zouden moeten opduiken met een even aantal fotonen.
Als ze afzonderlijk gemeten werden, bevatten de twee dozen soms een even aantal fotonen en soms een oneven aantal. Maar beide dozen samengevoegd leverden altijd een even aantal op.
‘Daaruit blijkt dat je een echte Schrödingers-kattentoestand krijgt als je de twee dozen combineert’, zegt Wang.
De echte winst
Het idee om een kattentoestand te bouwen in slechts één microgolfholte is al een paar decennia oud. Serge Haroche won er zelfs een Nobelprijs mee, zegt Myungshik Kim van Imperial College London
‘Je denkt misschien: ach, het is maar een kleine uitbreiding van wat Haroche heeft gedaan’, zegt hij. ‘Maar het is een interessante uitbreiding. ‘ Volgens Kim kan het verbinden van twee holtes in een kattentoestand te pas komen bij het precies meten van de fase van licht.
De echte winst van een dergelijk experiment, hoopt Wang, is dat verstrengelde holtes de bouwstenen zouden kunnen zijn van computers die de eigenschappen van quantumsuperposities gebruiken om berekeningen te doen met de snelheid van het licht.
Wangs huidige lab, waar Robert Schoelkopf van de Yale-universiteit de scepter zwaait, onderzoekt het gebruik van kattentoestanden in holtes zoals qubits, de onderdelen van quantumcomputers die informatie bevatten. Kattentoestanden zouden kunnen helpen de fouten te corrigeren die snel optreden in zulke kleine, gevoelige systemen. Het is dan essentieel om die qubits met elkaar te verbinden.
Lees verder: