Drie verstrengelde quantumbits en de magie van teleportatie

Na tweeënhalf jaar voorbereidingstijd is het eindelijk zo ver. Wij zijn er klaar voor, de quantumbits zijn er klaar voor. We gaan drie quantumbits verstrengelen en verstrengeling teleporteren. Iets wat nog nooit eerder is gedaan! Zou het ons lukken?

17 februari 2021

In ons lab werken we met quantumbits. Dat zijn hele kleine deeltjes die zich anders gedragen dan de computerbits die jij en ik in onze computers hebben. Zo kunnen deze bits in superpositie zijn, ze zijn zowel 0 als 1 tegelijkertijd. Pas als we een meting doen kiest het bit als het ware een van de twee uitkomsten. Daarnaast kunnen we deze bits met elkaar verstrengelen, dat betekent dat we deze bits een toestand laten delen.

Een voorbeeld; twee verstrengelde quantumbits zijn beiden in superpositie, maar als we een meting doen geven ze allebei dezelfde uitkomst, of allebei 0, of allebei 1, ofwel ze geven altijd gecorreleerde uitkomsten. Hiervoor maakt het niet uit hoever deze bits van elkaar vandaan zijn, zolang ze verstrengeld zijn.

Laat ik het team voorstellen, ik doe dit onderzoek namelijk niet alleen. Ik werk nauw samen met twee andere PhDs en een post-doctoraal onderzoeker (iemand die zijn of haar PhD al heeft afgerond); Matteo, Hans en Simon. Met z’n vieren verdelen we het werk en we overleggen veel. Daarnaast is onze professor actief betrokken; Ronald. Hij komt geregeld kijken hoe het gaat en als we ergens tegenaan lopen of een belangrijke beslissing moeten nemen kunnen we altijd bij hem terecht. Van links naar rechts zie je: Santiago, Sophie, Takashi, Ronald, Hans, Matteo, Romy, Max, Suzanne, Simon, Matthew, Guus, Arian, Marianne.

Voor deze quantumbits gebruiken we in ons lab enkele elektronen gevangen in een stukje diamant. Met behulp van elektrische pulsen brengen we ze in superpositie en met behulp van laserlicht verstrengelen we quantumbits in verschillende proefopstellingen met elkaar.

Tot nu toe toonden wetenschappers wereldwijd verstrengeling tussen twee quantumbits op afstand van elkaar aan, maar nog nooit met drie deeltjes (of om helemaal correct te zijn, niet op de manier waarop wij het doen, waarbij je de verstrengeling daarna voor iets anders kan gebruiken). Laat staan verstrengeling teleporteren, zodat twee quantumbits verstrengeld zijn zonder dat ze een fysieke connectie (zoals een glasvezelkabel) met elkaar hebben (zie mijn vorige blog Een grote stap voorwaarts voor het quantuminternet voor meer uitleg en waarom dit zo belangrijk is). Die twee dingen, verstrengeling met drie deeltjes en verstrengeling teleporteren, dat is precies wat wij willen meten!

Sinds het begin van mijn promotieonderzoek werken we aan de voorbereiding van dit experiment. Zo hebben we een derde opstelling gebouwd, een nieuw ontwerp voor de connecties tussen de opstellingen gemaakt en gezorgd dat we de verstrengelde toestand lang genoeg kunnen bewaren. Nu is het eindelijk zover, na bijna drie jaar voorbereidingstijd zijn alle onderdelen klaar en getest en kunnen we gaan meten!

Aantonen dat we drie verstrengelde deeltjes hebben of dat we verstrengeling hebben geteleporteerd is zo simpel nog niet. Hierboven schreef ik dat verstrengelde bits altijd gecorreleerde uitkomsten geven. In theorie is dat het geval, in de praktijk helaas niet. In de praktijk hebben we te maken met onbedoelde verstoringen en achtergrondruis. Hierdoor geven de bits ook wel eens niet-gecorreleerde uitkomsten. Om te laten zien dat onze quantumbits daadwerkelijk verstrengeld zijn moeten we aantonen dat ze vaker gecorreleerde uitkomsten geven dan wat je met normale (wij natuurkundigen noemen dat klassieke) bits zou kunnen bereiken.

En dan nog zijn we er niet; we moeten genoeg statistieken verzamelen om te laten zien dat onze meetuitkomsten geen toevallig goede uitkomst zijn en dat we alleen maar geluk hebben. Wat bedoel ik hiermee? Een voorbeeldje. Stel je voor: tijdens een avondje ganzenborden beweer je dat je magische krachten hebt en dat je altijd zes gooit. Als je vervolgens twee keer zes gooit zeggen je vrienden dat je gewoon geluk hebt, maar als jij honderd keer achter elkaar zes gooit krabben ze zich toch wel achter de oren (en willen ze waarschijnlijk nooit meer ganzenbord met je spelen). Kortom wij moeten genoeg datapunten verzamelen zodat de kans dat we toevallig goede meetuitkomsten hebben heel klein is. En dus dat je zeker genoeg weet dat je verstrengeling hebt.

Al je verder inzoomt op het diamantje met een microscoop zie je de elektrodes waarmee we de quantumbits aansturen. Niet echt iets wat je bij een juwelier koopt.
Sophie Hermans voor NEMO Kennislink

Dan komt de vraag: wat is genoeg?

We schatten dat we zo’n 450 datapunten nodig hebben om de verstrengeling van drie bits aan te tonen. Dat klinkt niet als veel werk, maar we krijgen ongeveer 1 datapunt per minuut. Tel je daar de kalibraties en andere checks die we uitvoeren om te controleren dat de opstellingen in optima forma zijn en blijven, dan komen we op ongeveer drie volle dagen uit voor één van de twee experimenten. En als ik zeg volle dagen, dan bedoel ik vólle dagen.

Om zoveel mogelijk tijd te benutten op de opstellingen meten we bijna 24 uur per dag, verdeeld over drie shifts. Ik ben meer een ochtendmens, dus ik neem veelal de ochtendshift van 07:00 tot 14:00 voor mijn rekening. De middagshift duurt van 14:00 tot 21:00 en de nachtshift van 21:00 tot 03:00 (gelukkig vindt Matteo het niet erg om een tijdje in een andere tijdzone te leven). De laatste paar uren van de dag worden gebruikt om een aantal automatische optimalisaties uit te voeren, de opstellingen staan dus echt nooit stil!

Na drie dagen van kalibraties checken, koffie drinken, kijken of er niks misgaat, ondertussen podcasts luisteren, af en toe de meetapparatuur bijsturen en nog meer koffie drinken is de meting klaar! Om onszelf niet te bevooroordelen hebben we niet naar tussentijdse meetuitkomsten gekeken en dus dit is het eerste moment dat we naar de data gaan kijken. Met z’n vijven in een Zoomcall kijken we naar het computerscherm dat de data analyseert (dat is het voordeel al die Zoomcalls, iedereen zit er met z’n neus bovenop. Zelfs mijn collega Simon, die vanuit Oostenrijk werkt). Een druk op ‘Enter’ en we krijgen de uitslag…. En de uitslag is … onduidelijk. De meetuitkomst is niet zo goed als we hadden verwacht, maar ook niet ronduit waardeloos (Dit is een klassiek voorbeeld van de wetenschap, iets is niet zwart of wit, maar wat dan wel?). Na een grondige statistische analyse van Matteo komt het teleurstellende antwoord; de meetuitkomsten kloppen wel met dat de drie deeltjes verstrengeld zijn, maar zijn niet zo eenduidig dat we het met zekerheid kunnen zeggen.

Even balen en weer door!

Tijdens dit eerste experiment hebben we een hoop geleerd. We verbeteren een aantal settings in de opstellingen en besluiten de meettijd meer dan te verdubbelen (professor Ronald: ‘I would say two more days are worth it for one of the most important data sets in your PhD’). Ditmaal meten we zeven dagen per experiment, zo kunnen we met grotere zekerheid zeggen of ons experiment wel of niet geslaagd is. Ook deze twee keer zeven dagen gaan niet zonder slag of stoot. Plotseling zien we meer achtergrondruis; een van de tientallen spiegeltjes die het licht moeten sturen blijkt niet helemaal goed te staan. We passen het aan en gaan weer door. Vervolgens hebben we ijs in een van de opstellingen (onze quantumbits werken bij hele lage temperaturen en in vacuüm, maar soms komt er toch wat condens op de quantumchip waardoor er ijs ontstaat). We lossen het op en gaan weer door.

Goede resultaten moeten gevierd worden!
Sophie Hermans voor NEMO Kennislink

Twee weken later. Beide experimenten zijn klaar, het is gelukt! De resultaten zijn nu wel duidelijk! We hebben zowel verstrengeling van drie deeltjes aangetoond als verstrengeling geteleporteerd. Dit is nog nooit eerder gedaan en is een grote stap voor ons onderzoek naar een quantuminternet. Nu is het zaak om dit netjes op te schrijven en te delen met de rest van de wetenschappelijke community, maar het zware werk zit erop.
Pas in de week na de experimenten besef ik me hoe vermoeiend deze weken waren. Een zekere nervositeit, zullen de meetuitkomsten goed genoeg zijn? Maar ook een vorm van opwinding, dit is waar we al die tijd naar toe hebben gewerkt! In mijn hoofd was ik bijna continu bezig met het experiment. En ik was niet de enige die dit had. Ik denk dat dit de betrokkenheid en de passie voor de wetenschap van iedereen laat zien. En wat komt hierna? We hebben genoeg plannen voor het volgende experiment; nog meer quantumbits toevoegen. Hiervoor moeten we een paar verbeteringen aanbrengen en dan weer … meten!