Kwantumfysici vierden feest toen het Nobelcomité in oktober een langverwachte natuurkundeprijs aan Alain Aspect, John Clauser en Anton Zeilinger voor hun pionierswerk onderzoek naar kwantumverstrengeling. Maar de gemeenschap heeft zeker niet op haar lauweren gerust, en met zoveel andere opwindende ontwikkelingen in 2022, is het moeilijk om slechts een paar hoogtepunten te kiezen. Desalniettemin zijn hier enkele resultaten die ons opvielen op het gebied van kwantumdetectie, kwantuminformatie, kwantumcomputing, kwantumcryptografie en fundamentele kwantumwetenschap.
In de kwantummechanica stelt het principe van delokalisatie dat een kwantumdeeltje, in zekere zin met de hand golvend, op meerdere plaatsen tegelijk kan zijn. Het principe van verstrengeling stelt ondertussen dat kwantumdeeltjes een verbinding ervaren waardoor de toestand van het ene deeltje die van een ander kan bepalen, zelfs over grote afstanden. In november gebruikten natuurkundigen van JILA in Colorado, VS, een combinatie van verstrengeling en delokalisatie om ruis te onderdrukken die het voorheen onmogelijk maakte om versnellingen onder de zogenaamde kwantumlimiet waar te nemen. Deze limiet wordt bepaald door de kwantumruis van individuele deeltjes en is lange tijd een belangrijke beperking geweest voor de precisie van kwantumsensoren. Het overwinnen ervan is dus een grote stap voorwaarts.
Het verzenden van kwantuminformatie van het ene knooppunt in een netwerk naar het andere is niet eenvoudig. Als je de informatie codeert in fotonen die door een optische vezel worden gestuurd, vreten verliezen in de vezel de getrouwheid van het signaal weg totdat het onleesbaar wordt. Als je in plaats daarvan kwantumverstrengeling gebruikt om de informatie rechtstreeks te teleporteren, introduceer je andere processen die helaas ook het signaal verslechteren. Een derde node toevoegen aan het netwerk, zoals natuurkundigen bij QuTech in Nederland deed in 2021, maakt de taak alleen maar moeilijker. Daarom is het zo indrukwekkend dat de QuTech-onderzoekers hun eerdere succes vervolgden door kwantuminformatie van een zender (Alice) naar een ontvanger (Charlie) te teleporteren via een tussenliggend knooppunt (Bob). Hoewel de getrouwheid van de Alice-Bob-Charlie-transmissie slechts 71% was, is dat hoger dan de klassieke limiet van 2/3, en om dit te bereiken moesten de onderzoekers verschillende uitdagende experimenten combineren en optimaliseren. Komen Dave, Edna en Fred nodes in 2023 bij het netwerk? We zullen zien!
Voor het geval het niet duidelijk was uit de eerste twee hoogtepunten in deze lijst: ruis is een enorm probleem in de kwantumwetenschap. Dit geldt zowel voor computers als voor waarneming en communicatie, en daarom is het corrigeren van deze door ruis veroorzaakte fouten zo belangrijk. natuurkundigen gemaakt verschillende voorschotten op dit front in 2022, maar een van de belangrijkste kwam in mei toen onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck, Oostenrijk en RWTH Aachen University in Duitsland voor het eerst een volledige reeks fouttolerante kwantumoperaties demonstreerden. Hun ion-trap kwantumcomputer gebruikt zeven fysieke qubits om elke logische qubit te maken, plus "vlag"-qubits om de aanwezigheid van gevaarlijke fouten in het systeem aan te geven. Cruciaal was dat de foutgecorrigeerde versie van het systeem beter presteerde dan de eenvoudigere niet-gecorrigeerde versie, wat de mogelijkheden van de techniek illustreerde.
Informatiebeveiliging is de USP van kwantumcryptografie, maar informatie is slechts zo veilig als de zwakste schakel in de keten. Bij kwantumsleuteldistributie (QKD) is een potentiële zwakke schakel de apparaten die worden gebruikt om de sleutels te verzenden en te ontvangen, die kwetsbaar zijn voor conventionele hacks (zoals iemand die inbreekt in een knooppunt en met het systeem knoeit), ook al zijn de sleutels zelf beveiligd tegen kwantum. Een alternatief is om apparaatonafhankelijke QKD (DIQKD) te gebruiken, die metingen van Bell-ongelijkheden in fotonenparen gebruikt om te bevestigen dat het sleutelgeneratieproces niet is vervalst. In juli demonstreerden twee onafhankelijke groepen onderzoekers DIQKD voor het eerst experimenteel – in één geval door gedurende een periode van acht uur 1.5 miljoen verstrengelde Bell-paren te genereren en deze te gebruiken om een gedeelde sleutel van 95 bits lang te genereren. Hoewel de sleutelgeneratiesnelheid hoger moet zijn om DIQKD praktisch te maken voor versleutelde netwerken in de echte wereld, is het bewijs van het principe verbluffend.
De andere verstrengelde deeltjes in deze lijst met hoogtepunten zijn allemaal identiek: fotonen verstrengeld met andere fotonen, ionen met andere ionen, atomen met andere atomen. Maar er is niets in de kwantumtheorie dat dit soort symmetrie vereist, en een opkomende nieuwe klasse van "hybride" kwantumtechnologieën berust eigenlijk op het door elkaar halen van dingen. Voer onderzoekers onder leiding van Armin Feist van het Max Planck Instituut voor Multidisciplinaire Wetenschappen in Duitsland, die in augustus toonden dat ze een elektron en een foton konden verstrengelen met behulp van een ringvormige optische microresonator en een bundel hoogenergetische elektronen die de ring rakend passeert. De techniek heeft toepassingen voor een kwantumproces dat 'heralding' wordt genoemd, waarbij het detecteren van één deeltje in een verstrengeld paar aangeeft dat het andere deeltje beschikbaar is voor gebruik in een kwantumcircuit - een goed voorbeeld van hoe de fundamentele vooruitgang van vandaag de innovaties van morgen aandrijft.
Een grabbelton vol kwantumgekte
Eindelijk, zoals traditioneel (we hebben het gedaan twee keer, daarom is het een traditie), geen lijst met kwantumhoogtepunten is compleet zonder een knipoog naar alles wat vreemd en verbijsterend is in het veld. Dus laat het horen voor de Amerikaanse onderzoekers die een kwantumprocessor gebruikten simuleer de teleportatie van informatie door een wormgat in ruimte-tijd; een groep in Italië en Frankrijk die harde cijfers op tafel legde ononderscheidbaarheid van niet te onderscheiden fotonen; een internationaal team dat kwantumschendingen van klassieke causaliteit gebruikte om de aard van oorzaak en gevolg beter begrijpen; en een onverschrokken paar natuurkundigen aan de Universiteit van Edinburgh, VK, die aantoonden dat kwantumsignalen een goede manier zouden zijn om technologisch geavanceerde buitenaardse wezens om contact te leggen over interstellaire afstanden. Bedankt voor het raar houden van kwantum!
