Jarenlang hebben wetenschappers moeite gehad om in de ‘kwantum-ingewanden’ van vaste objecten te kijken om te zien of hun deeltjes werkelijk met elkaar verstrengeld zijn. Hoewel we individuele deeltjes in een gecontroleerd vacuüm of een kwantumcomputer kunnen manipuleren, is het observeren van de collectieve verstrengeling binnen een fysiek stukje materie een ongrijpbaar doel gebleven.
Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van Allen Scheie van het Los Alamos National Laboratory een baanbrekende methode ontwikkeld om dit fenomeen te meten, wat mogelijk een nieuw hoofdstuk opent in zowel de fundamentele natuurkunde als de ontwikkeling van kwantumtechnologieën.
De uitdaging van het ‘zien’ van verstrikking
Kwantumverstrengeling is een fenomeen waarbij deeltjes zo diep met elkaar verbonden raken dat de toestand van de ene onmiddellijk de toestand van de andere beïnvloedt, ongeacht de afstand ertussen. Deze ‘spookachtige actie’ vormt de ruggengraat van toekomstige technologieën zoals ultraveilige communicatienetwerken en krachtige kwantumcomputers.
Tot nu toe hebben onderzoekers Bell-tests gebruikt om de verstrengeling tussen specifieke deeltjes te bevestigen, maar deze methoden zijn moeilijk op te schalen naar hele materialen. Bepalen of een vaste stof – zoals een kristal of een metaal – doordrenkt is van verstrengeling is vrijwel onmogelijk geweest, omdat de complexiteit van het materiaal vaak de kwantumverbindingen maskeert.
De neutronenmethode: een nieuwe manier om naar binnen te kijken
De doorbraak ligt in het gebruik van neutronen als boodschappers. Sinds de jaren vijftig weten natuurkundigen dat ze, door neutronen op een materiaal af te vuren en te analyseren hoe ze terugkaatsen of er doorheen gaan, meer te weten kunnen komen over de rangschikking van de deeltjes erin.
Scheie en zijn team hebben dit concept verfijnd om Quantum Fisher Information (QFI) te berekenen. Hier ziet u hoe het proces werkt:
1. Neutronenbombardement: Een monster materiaal wordt bekogeld met neutronen.
2. Detectie: De eigenschappen van de uittredende neutronen worden verzameld door uiterst nauwkeurige detectoren.
3. Berekening: Door de neutronengegevens te analyseren, kunnen onderzoekers de QFI berekenen: een wiskundige waarde die het minimale aantal deeltjes in het materiaal aangeeft dat verstrengeld moet worden om dat specifieke resultaat te bereiken.
### Bewezen nauwkeurigheid en veelzijdigheid
Het team testte hun techniek op verschillende magnetische materialen, waaronder een bekend kristal bestaande uit kalium, koper en fluor. Om er zeker van te zijn dat de methode accuraat was, vergeleken ze hun experimentele resultaten met computersimulaties van de kwantumstructuur van het kristal.
“Het was een opmerkelijk nauwe overeenkomst tussen de experimentele en theoretische curves”, merkte teamlid Pontus Laurell van de Universiteit van Missouri op.
Wat deze methode bijzonder revolutionair maakt, is de veerkracht :
– Geen model vereist: In tegenstelling tot eerdere pogingen werkt deze techniek zelfs als wetenschappers vooraf niet over een perfect wiskundig model van het materiaal beschikken.
– Tolerantie voor imperfectie: Het blijft effectief, zelfs als de materiaalmonsters geen “perfecte” kristallen zijn, wat een veel voorkomende realiteit is in laboratoriumomgevingen.
– Universele toepassing: Het team heeft een betrouwbare, algemeen toepasbare manier ontwikkeld om verstrengeling te meten die kan worden toegepast op een grote verscheidenheid aan nieuwe materialen.
Waarom dit belangrijk is voor de toekomst
Deze ontdekking is meer dan alleen een wiskundige overwinning; het is een praktisch hulpmiddel voor de volgende generatie technologie. Terwijl ingenieurs op zoek gaan naar de beste materialen om kwantumprocessors en sensoren te bouwen, hebben ze een manier nodig om te verifiëren of deze materialen daadwerkelijk de kwantumeigenschappen bezitten die nodig zijn voor hun werking.
De onderzoekers gaan nu naar een nog complexer terrein: het meten van QFI tijdens faseovergangen. Een faseovergang is het kwantumequivalent van water dat in ijs verandert. Op deze kritieke punten falen theoretische modellen vaak en wordt verwacht dat de verstrengeling dramatisch zal toenemen. Door hun methode hier te testen, hoopt het team geheel nieuwe kwantumfenomenen te ontdekken die nog nooit eerder zijn waargenomen.
Conclusie
Door met succes neutronenverstrooiing te gebruiken om Quantum Fisher Information te meten, hebben onderzoekers een betrouwbare “thermometer” opgeleverd voor verstrengeling in vaste stoffen. Deze doorbraak biedt de essentiële toolkit die nodig is om nieuwe materialen te verkennen en de overgang van theoretische kwantumfysica naar functionele kwantumtechnologie te versnellen.
