Onderzoekers van de Universiteit van Luik hebben een baanbrekende methode ontwikkeld die een combinatie van geometrie en kwantumcontrole gebruikt om snel kwantumsuperpositietoestanden (dwz NOON-toestanden) te genereren. Deze innovatie verkort de voorbereidingstijd drastisch van minuten tot milliseconden, waardoor de deur wordt geopend voor praktische toepassingen in quantum computing en ultraprecieze sensoren.

Het creëren van kwantumsuperposities van ultrakoude atomen is lange tijd een grote uitdaging geweest, waarbij bestaande methoden te traag bleken voor praktisch gebruik in het laboratorium. Onderzoekers van de Universiteit van Luik hebben nu een nieuwe methode ontwikkeld die geometrie combineert met ‘kwantumcontrole’ om dit proces aanzienlijk te versnellen en de deur te openen naar praktische toepassingen van kwantumtechnologie.

Stel je voor dat je een winkelwagentje vol naar de supermarkt duwt. Het doel is om sneller dan alle anderen bij de kassa te komen en geen items te verliezen in scherpe bochten. De sleutel tot succes is het vinden van het meest rechte en vloeiende pad en het behouden van snelheid zonder te vertragen.

Dit is precies wat Simon Dengis, een doctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Luik, heeft bereikt. Hij bevindt zich niet in een supermarkt, maar in het complexe domein van de kwantumfysica.


De NOON-toestand is een superpositie-kwantumtoestand waarin N-deeltjes zich "tegelijkertijd" in de ene toestand bevinden en "gelijktijdig" in een andere toestand. Hier worden de deeltjes gevangen in twee putten, in de put die door de laser is gecreëerd. De superpositietoestand bestaat dus uit een toestand waarin alle deeltjes zich in het linkerputje bevinden en een toestand waarin ze in het rechterputje gevangen zitten. Wanneer deeltjes zich op dezelfde locatie bevinden, werken ze samen en "plakken" ze aan elkaar, waardoor wordt voorkomen dat individuele deeltjes de val verlaten. Bron afbeelding: Universiteit van Luik / S. Dengis

Dungis werkte samen met het Statistical Quantum Physics (PQS)-team om een ​​protocol te ontwikkelen voor het snel genereren van NOON-toestanden. "Deze toestanden zien eruit als miniatuurversies van Schrödingers beroemde kat, kwantumsuperposities", legt hij uit. "Ze zijn van cruciaal belang voor technologieën zoals ultraprecieze kwantumsensoren of kwantumcomputers."

Wat zijn de belangrijkste uitdagingen? Het creëren van deze staten duurt vaak te lang. We hebben het over tientallen minuten of langer, wat vaak langer is dan de levensduur van het experiment. Wat is de reden? Energieknelpunten, ‘scherpe wendingen’ in de evolutie van een systeem, dwingen het tot vertraging.


Antidiabatische controle compenseert de traagheid van het systeem door het op de een of andere manier te veranderen. In dit voorbeeld kan de ober, om de beweging van het water veroorzaakt door de beweging van de ober te compenseren, het dienblad kantelen om de traagheid van het glas tegen te gaan en te voorkomen dat het omvalt. Bron afbeelding: Universiteit van Luik / S.Dengis

Dit is het baanbrekende werk van het team van de Universiteit van Luik. Ze hebben met succes de weg vrijgemaakt voor atomen door de twee krachtige concepten van antidiabatisch rijden en optimale geodetische paden te combineren. Het resultaat: het systeem kan sneller evolueren zonder af te wijken van het ideale traject, zoals een chauffeur die anticipeert op een bocht door de pallet te kantelen.

"Deze strategie bespaart veel tijd: in sommige gevallen kan de verwerkingssnelheid 10.000 keer sneller zijn, terwijl de betrouwbaarheid van 99% behouden blijft, wat een vrijwel perfect resultaat betekent", zegt Peter Schlagheck, directeur van het laboratorium. Voorheen duurde het ongeveer tien minuten om deze toestand te creëren, maar de onderzoekers slaagden erin de wachttijd aanzienlijk te verkorten... tot 0,1 seconde!

Met deze doorbraak kunnen we eindelijk de NOON-toestand produceren met behulp van ultrakoude atomen. Dit opent veelbelovende perspectieven voor kwantummetrologie (ultragevoelige metingen van tijd, rotatie of zwaartekracht) en kwantuminformatietechnologie. Uiteindelijk zouden deze hulpmiddelen instrumenten zoals kwantumgyroscopen of miniatuurzwaartekrachtdetectoren kunnen verbeteren.


Het voorgestelde protocol (blauw, GCD) kan het energieknelpunt vergroten (vergeleken met het gebruikelijke rode protocol G) en vereist daarom minder remmen bij het naderen van het knelpunt. Dit beeld kan worden begrepen in termen van motorracen: de rode motorfiets moet meer remmen dan de blauwe motorfiets omdat het bochtenwerk minder ‘soepel’ is. Daarom zal de blauwe motorfiets de bestemming eerder bereiken dan de tegenstander. Op dit punt zijn de veranderingen in de energie van het systeem (en dus de toestand ervan) minder plotseling, waardoor het hele proces aanzienlijk wordt versneld. Bron afbeelding: Universiteit van Luik/S.Dengis

Deze studie laat zien hoe theorie en experiment kunnen worden gecombineerd om concrete vooruitgang in de kwantumfysica te bewerkstelligen. Door wiskundige concepten, fundamentele natuurkunde en experimentele haalbaarheid te combineren, hebben onderzoekers van de Universiteit van Luik doorbraken gerealiseerd die wat ooit theorie was, zouden kunnen transformeren in de technologie van de toekomst.

Kwantumsuperpositie is wanneer een kwantumsysteem (zoals een atoom, elektron of foton) zich tegelijkertijd in meerdere toestanden kan bevinden zonder te worden waargenomen. Het meest gebruikte voorbeeld om dit concept uit te leggen is de kat van Schrödinger: een kat opgesloten in een doos. Volgens de kwantummechanica is de kat zowel levend als dood totdat de doos wordt geopend. Deze gelijktijdige combinatie van twee toestanden wordt superpositie genoemd.

Alleen door de doos te openen en te observeren kunnen we de natuur ‘dwingen’ om één toestand te kiezen: levend of dood. De NOON-toestand is een voorbeeld van kwantumsuperpositie: alle atomen bevinden zich tegelijkertijd in de linkerput en de rechterput. Pas op het moment van meten verschijnen ze in een van hen.

Samengesteld uit /scitechdaily