Is het mogelijk om een uiterst precieze klok, een rekenprocessor en een simulator van natuurkundige processen in één enkel kwantumdeeltje te verenigen? Natuurkundigen van het JILA-laboratorium in Boulder hebben, in samenwerking met collega's van de Universiteit van Innsbruck, aangetoond dat dit inderdaad kan. Ze ontwikkelden een kwantum-'multitool' op basis van ytterbium-171-atomen, die op commando van een laser van functionele rol kunnen wisselen.
Tot nu toe ontwikkelden de verschillende kwantumtechnologieën zich onafhankelijk van elkaar. Waar de ene groep wetenschappers bouwde aan qubits voor berekeningen, richtten anderen zich op het modelleren van complexe systemen of het ontwikkelen van optische klokken. Het probleem hierbij is dat voor deze uiteenlopende taken telkens verschillende natuurkundige eigenschappen vereist zijn.
Het team onder leiding van Adam Kaufman heeft hiervoor een elegante oplossing gevonden. Zij maakten gebruik van drie paren energietoestanden van ytterbium die verbonden zijn door één gemeenschappelijke 'ankertoestand'. Door laserpulsen met specifieke frequenties op het atoom te richten, slaagden de onderzoekers erin de kwantumsuperpositie direct van de ene naar de andere modus over te brengen zonder informatieverlies.
Hetzelfde atoom vervult voortaan drie verschillende rollen:
- De kern-qubit: deze maakt gebruik van de kernspin, die vrijwel ongevoelig is voor externe storingen en informatie betrouwbaar opslaat.
- De Rydberg-qubit: deze ontstaat door sterke excitatie van een elektron, waardoor atomen snel met elkaar kunnen communiceren om berekeningen uit te voeren.
- De optische qubit: deze benut de energieniveaus die ook in atoomklokken worden gebruikt, wat essentieel is voor uiterst nauwkeurige metingen.
Tijdens de experimenten demonstreerden de wetenschappers een volledige werkcyclus. Ze brachten tot wel 20 atomen in een verstrengelde toestand en voerden bewerkingen met twee qubits uit met een precisie van 99,78%. Wanneer er tijdens het schakelen een fout optrad, werd dit door het systeem via optische controle opgemerkt, waarna mislukte pogingen direct werden uitgefilterd.
Op termijn maakt deze veelzijdigheid het mogelijk om de grenzen tussen kwantumcomputers en precisie-metrologie te laten vervagen. Ingenieurs hoeven voortaan niet meer te kiezen tussen de stabiliteit van het systeem en de snelheid van de bewerkingen. De integratie van deze drie modi binnen één platform kan de komst van praktische kwantumcomputers, die echte toepassingen kunnen oplossen zonder ingewikkelde hardwarewissels, aanzienlijk versnellen.
