Het is onderzoekers van de Penn State University gelukt om atomen op zo'n manier in een drie-dimensionaal kristalrooster te vatten dat dit het startpunt kan vormen van een neutral-atom quantum computer. Dit is het vervolg op eerder onderzoek om individuele atomen te veranderen, zonder de omliggende atomen te veranderen.
Binnen de wereld van de kwantummechanica werkt alles anders dan in onze ‘normale’ binaire wereld waarbij een 1 en een 0 bestaan. Een kwantumcomputer slaat informatie op in qubits en een qubit kan zowel een 0 als een 1 tegelijk zijn door superpositie. Een van de eigenschappen van kwantummechanica is het fenomeen kwantumverstrengeling. Bij kwantumverstrengeling hebben deeltjes een soort onzichtbare ‘band’, bij atomen ziet dat eruit als spin of draairichting. Bij het bekijken van de toestand van één van de deeltjes, wijzigt de toestand van het andere deeltje instantaan, ook als dat deeltje zich aan de andere kant van het universum bevindt.
Maar voor we diep de kwantumverstrengeling induiken: het zal duidelijk zijn dat het kunnen wijzigen van enkele atomen in een kristalrooster een grote wens is van veel onderzoekers die willen experimenteren met kwantumcomputers en simulaties.
Wanorde
Een kwantumcomputer heeft altijd last van entropie, soms ook wel kort door de bocht aangeduid als wanorde in een systeem. Dit wordt geminimaliseerd door de chips met de atomen te koelen tot bijna het absolute nulpunt. In zo’n gekoelde omgeving is het mogelijk om met lasers één enkele atoom van staat te veranderen.
Nu is het de onderzoekers gelukt om in een raster van lasers atomen te verplaatsen binnen een raster van 5 bij 5 bij 5 atomen. Daarmee wisten ze de entropie binnen het raster te verlagen op zo’n manier dat de atomen op hun plek bleven in plaats van naar een altijd groeiende wanorde te gaan. Een bekend gedachte-experiment is Maxwell’s Demon, waarbij koude en warme deeltjes van elkaar worden gescheiden. Dit leek tegen de wetten van de thermodynamica in te gaan, maar de onderzoekers van Penn’s State hebben het Maxwell-experiment weten uit te voeren.
Om precies te zijn begon het experiment met een half gevuld optisch raster met zestig atomen. Daarna werd het geheel voldoende afgekoeld om de atomen vrijwel vibratieloos te laten worden. Daarmee werd de startfase, dus de wanorde, de dominante entropy. Na het bepalen waar de atomen zich in het raster bevonden, werden verschillende acties uitgevoerd om volledig gevulde lagen van de kubus te vormen, waarmee de entropie van het totale systeem teruggebracht werd en slechts twee vlakken in het raster gevuld waren met atomen.
Dit onderzoek is van belang omdat het laat zien dat het mogelijk is atomen daadwerkelijk individueel te kunnen distribueren zonder dat ze elkaar beïnvloeden binnen een driedimensionale structuur en biedt daarmee een mogelijk startpunt voor een kwantumcomputer met neutrale atomen (atomen die elkaar niet beïnvloeden, in dit geval cesium-atomen).
