Een atoom en een molecuul zijn samen in een quantummechanische verstrengeling gebracht. Dat is een belangrijke stap richting het gebruik van moleculen in toekomstige, grootschalige quantumsystemen, zoals quantumcomputers en superveilige quantumnetwerken.
Door twee verschillende quantummechanische deeltjes aan elkaar te koppelen, laten de onderzoekers zien dat hybride quantumsystemen mogelijk zijn. In een toekomstige quantumcomputer kan de quantumprocessor dan gebruikmaken van andere deeltjes dan bijvoorbeeld het quantumgeheugen. Dat is vergelijkbaar met huidige computers, waarin informatie uitgewisseld kan worden tussen een optische schijf (zoals een dvd) en een processor die informatie elektronisch verwerkt.
Calcium verstrengeling
Een internationale groep onderzoekers heeft een positief geladen calciumatoom en een positief geladen calciumhydridemolecuul (calcium met waterstof) verstrengeld. Hierdoor zijn de twee op een quantummechanisch niveau met elkaar verbonden, waardoor bepaalde eigenschappen van de deeltjes met elkaar samenhangen. Als je bijvoorbeeld meet dat het ene deeltjes rechtsom draait, dan weet je dat op exact datzelfde moment het andere deeltje rood kleurt. Draait het linksom, dan moet het andere groen zijn.
Die quantummechanische verstrengeling is de reden dat je een quantumnetwerkverbinding niet ongemerkt kunt afluisteren. Ook bij het uitvoeren van berekeningen met een quantumcomputer speelt deze eigenschap een belangrijke rol.
Om dienst te doen als bit voor een quantumcomputer, een qubit, moet een deeltje een 0 en een 1 kunnen voorstellen. Bij het calciumatoom zijn hiervoor twee energieniveaus aangewezen van een elektron in dit atoom. Het ene energieniveau representeert 1, het andere 0. Bij het calciumhydride zijn er twee manieren waarop het molecuul kan roteren aangewezen als 1 en 0.
Samen schommelen
In het experiment brachten de onderzoekers een calciumatoom en een calciumhydridemolecuul vlak bij elkaar. Doordat de deeltjes beide positief geladen waren, stootten ze elkaar af. De experimentele opstelling duwde ze echter telkens weer naar elkaar toe. Daardoor schommelden de deeltjes samen heen en weer, als twee slingers die met een springveer aan elkaar vast zitten.
Vervolgens koppelden de onderzoekers met een gerichte laserstraal de energietoestanden van het calciumatoom aan de gemeenschappelijke schommelbeweging. Datzelfde deden ze met de rotaties van het molecuul. Zo konden ze de moleculaire rotaties verstrengelen met de atomaire energietoestanden.
Het lukte in 76 tot 87 procent van de gevallen om de twee op deze manier te verstrengelen. ‘We hebben hiermee voor het eerst kwantitatief de verstrengeling tussen een molecuul en atoom aangetoond’, mailt eerste auteur Yiheng Lin.
Moleculaire qubits
Met de verstrengelingstechniek die de onderzoekers demonstreren, kunnen in de toekomst veel verschillende soorten qubits met elkaar praten. ‘Verschillende soorten qubits hebben elk hun eigen voor- en nadelen’, legt Lin uit. ‘Als je hybride systemen kunt maken, kun je de voordelen combineren en de nadelen zoveel mogelijk vermijden.’ Zo kun je qubit-lichtdeeltjes die gemakkelijk door glasvezelkabels reizen combineren met mogelijk stabielere moleculaire qubitsystemen.
Verder beschikken moleculen over verschillende soorten quantumeigenschappen waardoor ze zijn te verstrengelen met een breed scala aan andere qubits. Mogelijk kunnen moleculaire qubits daardoor fungeren als schakel tussen verschillende quantumsystemen. Hiervoor is het wel belangrijk om de techniek verder te ontwikkelen zodat het in bijna 100 procent van de gevallen lukt om moleculen met andere qubits te verstrengelen.
