Hoe quantum is een quantumsysteem? Natuurkundigen hebben een manier bedacht om deze esoterische vraag te beantwoorden.
In de natuurkunde is er een berucht onderscheid tussen de gewone buitenwereld en de quantumwereld. De quantumwereld is het domein van piepkleine deeltjes. Die ondervinden allerlei gekke dingen: deeltjes kunnen bijvoorbeeld op twee plekken tegelijk zijn of elkaar op grote afstand direct beïnvloeden. In de ‘klassieke wereld’, het domein van voetballen en planeten, zijn dit soort quantumfenomenen uitgesloten.
Dit door ons bedachte onderscheid tussen klassiek en quantum is alleen nogal zwart-wit. Er zijn deeltjes die bepaalde quantumkenmerken vertonen, maar ook bepaalde klassieke kenmerken. Die zijn dus een beetje quantum. En zo is er een groot grijs gebied tussen 100 procent quantum en 100 procent klassiek.
Natuurkundigen willen van verschijnselen in dit grijze gebied graag precies weten hoe quantum ze zijn. Dat is onder andere van belang voor de ontwikkeling van de quantumcomputer.
Wetenschappers zijn nog aan het onderzoeken wat ze met dat toekomstige apparaat zoal kunnen uitrekenen. Omdat de quantumcomputer zelf op quantumdeeltjes werkt, zal die vooral goed kunnen rekenen met quantumsystemen. Hoe meer quantum een systeem is, hoe geschikter het dus is voor de quantumcomputer.
Graadmeters
Eerder hebben natuurkundigen al verschillende graadmeters voorgesteld om quantumheid te kwantificeren. Bij licht wordt bijvoorbeeld gekeken of het zich als golf of als deeltje gedraagt. Golfgedrag is klassiek, deeltjesgedrag is quantum.
Maar dit soort graadmeters hebben zo hun beperkingen. Vaak zijn ze gericht op maar één quantumverschijnsel, in plaats van alle verschijnselen samen. Daardoor kun je ze niet op alle soorten quantumsystemen toepassen. Ook zijn de voorgestelde graadmeters vaak moeilijk in een lab te meten.
Majorana-constellatie
Een internationaal team van natuurkundigen heeft nu een universele quantumgraadmeter bedacht. Ze gebruikten daarvoor de Majorana-constellatie, bedacht door de later spoorloos verdwenen natuurkundige Ettore Majorana. Dat is een manier om een quantumsysteem weer te geven als punten op een bol – zoals de sterrenbeelden aan de hemel.
De natuurkundigen keken voor alle eerder voorgestelde quantumgraadmeters in hoeverre die overeenkomen met de Majorana-methode. Telkens bleken de systemen die het meest quantum waren, overeen te komen met de meeste punten op de Majorana-bol. Hoe dichter zo’n bol dus bedekt is, hoe meer quantum je systeem is. Een systeem dat daarentegen de bol niet of nauwelijks bedekt, is klassiek of bijna klassiek.
In een persbericht noemen de natuurkundigen hun onderzoek niet alleen nuttig, maar bovendien een wiskundig project ‘van enorme schoonheid’. Ze publiceerden hun resultaten in AVS Quantum Science.
