• 18/02/2014

Quantumdeeltjes manipuleren door te staren

Nederlandse wetenschappers van Stichting FOM en de Technische Universiteit Delft hebben een quantumdeeltje gemanipuleerd enkel door slim naar het deeltje te kijken.

Trefwoorden: #atomen, #elektronen, #microscopische deeltjes, #Quantumdeeltjes, #Stichting FOM, #Technische Universiteit Delft

Lees verder

research

ENGINEERINGNET - Door de sterkte van hun meting afhankelijk te maken van een eerdere meetuitkomst, wisten ze het deeltje naar de gewenste toestand te sturen.

Quantummechanica beschrijft het gedrag van microscopische deeltjes, zoals atomen en elektronen. Op de schaal van deze deeltjes gedraagt de natuur zich radicaal anders dan wij in het dagelijks leven gewend zijn. Zo kan een elektron zich in twee toestanden tegelijkertijd bevinden.

Om te laten zien hoe vreemd deze eigenschap is, verzon fysicus Erwin Schrödinger een beroemd gedachtenexperiment waarin de toestand van een quantumdeeltje is gekoppeld aan het lot van een kat. Beiden zitten in een afgesloten doos.

Het quantumdeeltje functioneert als een schakelaar die een buisje vergif kan openen (aan) of sluiten (uit). Zolang het quantumdeeltje in twee toestanden tegelijk verkeert (aan én uit), is het buisje vergif open én dicht, en is de kat tegelijkertijd levend en dood.

Zodra de doos wordt geopend om te kijken wat de toestand van de kat is, komt hier verandering in. De meting dwingt het dier om óf levend, óf dood te zijn. Dit wordt de quantummechanische back-action van de meting genoemd: de toestand (van zowel het deeltje als de gedachtenkat) verandert door de meting onvermijdelijk naar een klassieke toestand. De onderzoekers hebben nu gekeken wat er gebeurt als de doos slechts op een kier wordt gezet. Is het mogelijk te gluren naar de kat zonder dat de fragiele quantumtoestand verdwijnt?

In plaats van een kat gebruikten de wetenschappers in de groep van FOM-werkgroepleider prof.dr.ir. Ronald Hanson een atoomkern in diamant. Dat deeltje heeft een intrinsieke eigenschap, spin, die vergelijkbaar is met een klein magneetje. Het magneetje kan omhoog (kat levend) of omlaag (kat dood) wijzen.

Eerder liet deze groep zien dat het mogelijk is om de richting van zo’n enkele elektronspin te meten, analoog aan het geheel openen van de doos van Schrödinger. Om de doos gedeeltelijk te openen, gebruikten de wetenschappers een truc. In plaats van direct de atoomkern te meten, koppelden ze de toestand van de atoomkern eerst aan een elektron in de buurt. Daarna bepaalden ze de toestand van het elektron.

Door de sterkte van de koppeling tussen de atoomkern en het elektron te variëren, konden de wetenschappers nauwkeurig de meetsterkte instellen. Een zwakkere meting geeft minder informatie prijs, maar heeft ook een kleinere back-action.

Analyse van de kernspin na zo’n zwakke meting liet zien dat de kernspin nog steeds in twee toestanden verkeerde. Daarbij konden de onderzoekers aantonen dat de verandering van de toestand (door de back-action) precies overeen kwam met de informatie die de meting opleverde.

De onderzoekers realiseerden zich dat het mogelijk is de kernspin te sturen door meerdere metingen achter elkaar te doen, waarbij de meetsterkte steeds varieert. Omdat de meetuitslag van tevoren onbekend is, bouwden de onderzoekers een feedback loop in de experimenten.

Daardoor hangt de sterke van de tweede meting af van de uitkomst van de eerste meting. Op die manier konden de onderzoekers de atoomkern naar een gewenste combinatie van toestanden sturen door er alleen maar naar te kijken.

Het resultaat geeft nieuw inzicht in de rol van metingen in quantummechanica. Daarnaast zijn metingen met feedback zoals hier aangetoond een essentieel element van toekomstige quantumcomputers. Tenslotte kunnen deze technieken de gevoeligheid van magneetveldsensoren vergroten.


(bron en illustratie: Stichting FOM)

Bijschrift bij de illustratie: De spintoestand van de atoomkern, hier gevisualiseerd door een pijl, na meting met verschillende sterktes (lichtblauw is zeer zwak, donkerblauw is zeer sterk). De toestand draait voor sterkere metingen verder naar de klassieke toestand (pijl naar boven). Deze data is geselecteerd op de meetuitkomst van de elektronspin. Voor de andere uitkomst draait de pijl naar beneden.