Opmerkelijk genoeg is een team van natuurkundigen van de Princeton Universiteit erin geslaagd individuele moleculen met elkaar te verbinden om zo een bijzondere toestand van kwantummechanische ‘verstrengeling’ te creëren. In deze exotische toestanden blijven deze moleculen met elkaar verbonden en kunnen ze tegelijkertijd met elkaar interacteren, zelfs als ze kilometers uit elkaar liggen, of zelfs als ze tegenover elkaar gelegen uiteinden van het universum bezetten. Het onderzoek is gepubliceerd in het nieuwste nummer van het tijdschrift Science.


Lid van het onderzoeksteam van Princeton University. Van links naar rechts zijn assistent-professor Lawrence Cheuk van de afdeling Natuurkunde, Yukai Lu, een afgestudeerde student van de afdeling Elektrotechniek, en Connor Holland, een afgestudeerde student van de afdeling Natuurkunde. Fotografie: Richard Soden, Afdeling Natuurkunde

"Dit is een doorbraak in de moleculaire wereld vanwege het fundamentele belang van kwantumverstrengeling", zegt Lawrence Cheuk, universitair docent natuurkunde aan de Universiteit van Princeton en senior auteur van het artikel. ‘Maar het is ook een doorbraak voor praktische toepassingen, omdat verstrengelde moleculen de bouwstenen kunnen worden van veel toekomstige toepassingen.

Zo kunnen deze computers bepaalde problemen sneller oplossen dan traditionele computers, kunnen quantumsimulators complexe materialen simuleren waarvan het gedrag moeilijk te modelleren is, en kunnen quantumsensoren sneller metingen verrichten dan traditionele computers.

“Een van de motivaties om kwantumwetenschap te beoefenen is dat het in de echte wereld blijkt dat je op veel gebieden beter kunt presteren als je de wetten van de kwantummechanica exploiteert”, zegt Connor Holland, een afgestudeerde student aan het departement natuurkunde.

Het vermogen van kwantumapparaten om beter te presteren dan klassieke apparaten wordt 'kwantumvoordeel' genoemd. De kern van kwantumvoordeel zijn de principes van superpositie en kwantumverstrengeling. Terwijl klassieke computerbits de waarde 0 of 1 kunnen aannemen, kunnen kwantumbits, qubits genoemd, zich tegelijkertijd in een superpositie van 0 en 1 bevinden.

Dit laatste concept, verstrengeling, is een belangrijke hoeksteen van de kwantummechanica. Dit gebeurt wanneer twee deeltjes onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn, zodat de verbinding blijft bestaan, zelfs als het ene deeltje lichtjaren verwijderd is van het andere. Albert Einstein trok aanvankelijk de geldigheid ervan in twijfel en beschreef het fenomeen als 'spookachtig gedrag op afstand'. Sindsdien hebben natuurkundigen aangetoond dat verstrengeling in feite een nauwkeurige beschrijving is van de fysieke wereld en de structuur van de werkelijkheid.

"Kwantumverstrengeling is een fundamenteel concept," zei Cheuk, "maar het is ook een sleutelfactor bij het geven van kwantumvoordeel.

Maar het vaststellen van kwantumvoorsprong en het bereiken van controleerbare kwantumverstrengeling blijft een uitdaging, niet in de laatste plaats omdat ingenieurs en wetenschappers nog steeds niet weten welk fysiek platform het meest geschikt is voor het maken van qubits. De afgelopen decennia zijn veel verschillende technologieën – zoals gevangen ionen, fotonen, supergeleidende circuits en meer – onderzocht als kandidaten voor kwantumcomputers en apparaten. Het optimale kwantumsysteem of qubit-platform zal waarschijnlijk afhangen van de specifieke toepassing.

Tot dit experiment hadden moleculen echter lange tijd de beheersbare kwantumverstrengeling getrotseerd. Maar Cheuk en zijn collega's hebben een manier gevonden om individuele moleculen te controleren en ze in deze onderling verbonden kwantumtoestanden te lokken door middel van zorgvuldige manipulatie in het laboratorium. Ze geloven ook dat moleculen bepaalde voordelen hebben, zoals die ten opzichte van atomen, die ze bijzonder geschikt maken voor bepaalde toepassingen in kwantuminformatieverwerking en kwantumsimulaties van complexe materialen. Moleculen hebben bijvoorbeeld meer kwantumvrijheidsgraden dan atomen en kunnen op nieuwe manieren met elkaar interacteren.

"In praktische termen betekent dit dat er nieuwe manieren zijn om kwantuminformatie op te slaan en te verwerken", zegt Yukai Lu, een afgestudeerde student elektrotechniek en computertechniek en co-auteur van het artikel. ‘Een molecuul kan bijvoorbeeld in meerdere modi trillen en roteren. Je kunt dus een qubit coderen met behulp van twee van die modi. Als de moleculaire soorten polair zijn, kunnen twee moleculen met elkaar interageren, zelfs als ze ruimtelijk gescheiden zijn.

Toch zijn de moleculen vanwege hun complexiteit moeilijk te controleren in het laboratorium gebleken. De vrijheid die ze aantrekkelijk maakt, maakt ze ook moeilijk te controleren of af te schermen in laboratoriumomgevingen. Cheuk en zijn team hebben veel van deze uitdagingen aangepakt met een doordacht experiment met een complex experimenteel platform dat een 'pincetarray' wordt genoemd, waarbij individuele moleculen worden opgepikt door een complex systeem van strak gefocusseerde laserstralen, een zogenaamde 'optische pincet'.

"Het gebruik van moleculen voor de kwantumwetenschap is een nieuwe grens, en onze demonstratie van on-demand verstrengeling is een cruciale stap in het aantonen dat moleculen kunnen worden gebruikt als levensvatbare platforms voor de kwantumwetenschap", aldus Cheuk.

In een ander artikel gepubliceerd in hetzelfde nummer van Science behaalde een onafhankelijk onderzoeksteam onder leiding van John Doyle en Kang-Kuen Ni van de Harvard University en Wolfgang Ketterle van MIT vergelijkbare resultaten.

"Het feit dat ze dezelfde resultaten kregen, bevestigt de betrouwbaarheid van onze resultaten", zei Cheuk. "Ze laten ook zien dat moleculaire pincetarrays in opkomst zijn als een opwindend nieuw platform voor de kwantumwetenschap.

"On-Demand Entanglement of Moleculesina Reconfigurable Optical Tweezer Array", co-auteur van Connor M. Holland, Yukai Lu en Lawrence W. Cheuk, werd op 8 december 2023 gepubliceerd in Science (DOI: 10.1126/science.adf4272). Dit werk werd ondersteund door Princeton University, de National Science Foundation (2207518) en de Sloan Foundation (FG-2022-19104).