Onderzoekers hebben een doorbraak bereikt in de kwantumfysica: voor het eerst is het mogelijk om kwantumverstrengeling binnen vaste materialen te meten. De nieuwe methode, ontwikkeld door een team onder leiding van Allen Scheie van het Los Alamos National Laboratory, maakt gebruik van neutronenstraling om te bepalen hoeveel kwantumdeeltjes in een materiaal met elkaar verstrengeld zijn.
Revolutionaire meettechniek na jaren ontwikkeling
Het team heeft newscientist.com, die nu volledig functioneel is. "We hebben vastgesteld dat het werkt, 100 procent, en nu stellen we de procedures vast die je moet doorlopen om het in verschillende materialen te kunnen doen," aldus Scheie.
De methode werkt door een materiaalmonster te beschieten met neutronen, die vervolgens worden opgevangen door een detector. Deze techniek bouwt voort op kennis uit de jaren vijftig, toen wetenschappers ontdekten dat analyse van neutronen eigenschappen kan onthullen over de rangschikking en het gedrag van kwantumdeeltjes binnen materialen.
Kwantum Fisher-informatie als sleutel
Het innovatieve aan de nieuwe aanpak is dat de onderzoekers de neutronenmetingen gebruiken om de zogenaamde kwantum Fisher-informatie (QFI) te berekenen. Dit getal geeft aan hoeveel kwantumdeeltjes binnen het materiaal minimaal verstrengeld moeten zijn om de gedetecteerde effecten op de neutronen te veroorzaken.
caltech.edu dat hun gedrag gecorreleerd blijft, zelfs wanneer ze extreem ver van elkaar verwijderd zijn. Albert Einstein noemde dit ooit "spookachtige actie op afstand" omdat het de klassieke natuurkundige wetten leek te tarten.
Belang voor kwantumtechnologie
De doorbraak heeft belangrijke implicaties voor de ontwikkeling van kwantumtechnologie. Tot nu toe konden wetenschappers wel bepalen of twee individuele deeltjes verstrengeld waren via de Bell-test, en konden ze bewust verstrengeling creëren tussen objecten in kwantumcomputers. Maar vaststellen of een stuk materiaal vol zit met verstrengelde deeltjes was een veel grotere uitdaging.
Deze kennis is newscientist.com, die afhankelijk zijn van verstrengeling. Kwantumverstrengeling speelt een kritieke rol in toepassingen zoals kwantumteleportatie, kwantumcryptografie en kwantumcomputing.
Testen op magnetische materialen
De onderzoekers hebben hun methode getest op verschillende magnetische materialen, waaronder goed bestudeerde kristallijne stoffen. Door de QFI-waarden te berekenen uit de neutronenverstrooiingsdata, konden ze voor het eerst kwantificeren hoeveel verstrengeling er in deze vaste materialen aanwezig was.
caltech.edu, maar alleen gemeenschappelijke eigenschappen. Vanuit wiskundig oogpunt horen ze stevig bij elkaar, zelfs als ze zich op compleet verschillende locaties bevinden. Dit betekent dat het meten van één deeltje onmiddellijk de toestand van het andere beïnvloedt, ongeacht de afstand tussen hen.
Bredere context in kwantumonderzoek
De ontwikkeling komt op een moment dat kwantumonderzoek in een stroomversnelling zit. Recent onderzoek heeft zich ook gericht op earth.com, waarbij processen op attoseconde-schaal worden bestudeerd – een miljardste van een miljardste seconde.
De nieuwe meettechniek voor vaste stoffen opent deuren voor zowel fundamenteel fysisch onderzoek als praktische toepassingen. Wetenschappers kunnen nu systematisch onderzoeken welke materialen de meeste verstrengeling bevatten en hoe deze eigenschappen kunnen worden geoptimaliseerd voor technologische doeleinden.
Toekomstperspectief
Nu de methode bewezen effectief is, ligt de focus op het verfijnen van de procedures zodat deze op een breed scala aan materialen kunnen worden toegepast. Dit zou kunnen leiden tot de ontdekking van nieuwe materialen met optimale kwantumverstrengeling voor specifieke toepassingen in kwantumtechnologie.
De doorbraak illustreert hoe fundamenteel wetenschappelijk onderzoek naar kwantumfenomenen kan leiden tot praktische meetmethoden die op hun beurt weer nieuwe technologische mogelijkheden creëren. Voor de ontwikkeling van toekomstige kwantumcomputers en beveiligde kwantumcommunicatienetwerken is het kunnen meten en optimaliseren van verstrengeling in materialen een essentiële stap voorwaarts.