Kwantumverstrengeling, door Einstein aangevoerd om kwantummechanica onderuit te halen, is een raadselachtige onderlinge band tussen twee kwantumdeeltjes. Als aan één deeltje een meting wordt gedaan, zijn de eigenschappen van het andere deeltje precies bekend. Hoe ver de deeltjes ook van elkaar verwijderd zijn. Onderzoekster Hanna Krauter van de universiteit van Kopenhagen is er in geslaagd twee extreem koude wolkjes atomen voor meer dan een uur met elkaar verstrengeld te houden. Een wetenschappelijke doorbraak die tot nu toe voor onmogelijk werd gehouden. Hoe kregen ze het voor elkaar?
Als een gas van bepaalde atomen, zoals cesium, zeer koud wordt, verliezen de atomen hun identiteit en smelten ze samen tot één geheel, het Bose-Einstein condensaat. Ze reageren dan tegelijkertijd op een gebeurtenis. Het team baadde twee ijskoude wolkjes cesium die zo’n bizar condensaat vormden, in een laserstraal, die hun collectieve spin tegelijkertijd in lijn brengt. Dit verstrengelt de wolkjes. Maar de wolkjes zenden fotonen uit die de verstrengeling laten weglekken. De truc van het team is de verloren verstrengeling weer aan te vullen. Hoe, zal worden beschreven in een artikel van Physical Review Letters, maar heeft waarschijnlijk te maken met de laserstraal.
Recordbreker
De beste poging tot nu toe hield het enkele seconden uit. Met de nieuwe techniek heeft het team alle pogingen hiervoor om kwantumverstrengeling in stand te houden met factor duizend overtroffen: de verstrengeling bleef langer dan een uur in stand. Hoewel de techniek in theorie bekend was, is deze nog nooit eerder in de praktijk gebracht. Deze doorbraak helpt kwantumverstrengeling te veranderen in iets dat ook werkelijk in de industrie of in het dagelijks leven te gebruiken is. Zo kunnen er nu kwantum-routers voor een kwantuminternet gebouwd worden. Ook het bouwen van een kwantumcomputer is nu veel makkelijker geworden. Als kwantumcomputers met behulp van kwantumrouters met elkaar kunnen communiceren, explodeert hun rekenkracht.
Kwantumrouters werken als ‘normale’ internetrouters, een soort verkeerscontroleurs op internet die signalen ontvangen, versterken en doorsturen. Normale routers werken niet bij kwantumsignalen, waarbij de kwantumeigenschappen, waaronder de verstrengeling behouden moet blijven. Dit zou wel eens de doorbraak kunnen zijn waarop bouwers van kwantumrouters hebben gehoopt.
Onderzoekers zijn er in geslaagd uit meerdere andere atomen een nieuw soort superatomen samen te stellen, die de chemische eigenschappen hebben van een veel groter atoom – met ongebruikelijke magnetische eigenschappen.
Wat is een superatoom?
Het superatoom bevat gemagnetiseerde magnesiumatomen – een element dat gewoonlijk geen magnetische eigenschappen heeft. De combinatie van het metaalachtige karakter van magnesium met de nieuwe magnetische eigenschappen belooft interessante toepassingen voor de volgende generatie van snellere processoren, grotere geheugenopslag en kwantumcomputers.
Het nieuw ontdekte cluster bestaat uit één ijzeratoom en acht magnesiumatomen. Het gedraagt zich als een kleine magneet dat zijn magnetische kracht ontleent aan de ijzer- en magnesiumatomen. De gecombineerde eenheid is even magnetisch als een ijzeratoom en zorgt ook voor specifieke spintoestanden van de elektronen in het cluster.
Cluster krijgt extra stabiliteit
Het team ontdekte dat het cluster bij acht magnesiumatomen extra stabiliteit kreeg. De reden: gevulde elektronenschillen waren ver verwijderd van de niet-gevulde schillen. Een atoom is in een stabiele configuratie als de buitenste elektronenschil gevuld is en ver verwijderd van niet-gevulde elektronenschillen. Edelgassen zoals helium hebben volledig gevulde elektronenschillen. Volgens een van de onderzoekers, Shiv Khanna, gebeurt dit gewoonlijk alleen met gepaarde elektronen (die niet magnetisch zijn), maar in dit onderzoek bleek de magnetische schil toch stabiel.
Volgens Khanna had het nieuwe cluster een magnetisch moment van vier Bohr magnetons, twee keer zo groot als dat van ijzer in een massief ijzeren magneet. Een magnetisch moment is een maat voor de magnetische sterkte van het cluster. Van de meer dan honderd elementen in het periodiek systeem, zijn er maar negen elementen die in vaste vorm magnetisch gedrag vertonen.
Moleculaire elektronica en kwantumcomputers dichterbij
Reveles, een andere onderzoeker die bij het experiment betrokken was, denkt dat een combinatie zoals nu is gecreëerd, kan helpen “moleculaire elektronica” door te laten breken. Dit soort moleculaire structuren kunnen namelijk elektronen met een bepaalde spin selectief doorlaten – essentieel voor bijvoorbeeld kwantumcomputers. Van deze moleculaire onderdelen wordt ook verwacht dat ze elektronica compacter maken, meer data kunnen verwerken, naast andere voordelen, aldus Reveles.
Khanna en zijn team doen voorstudies voor het produceren van de nieuwe superatomen en hebben al enkele veelbelovende waarnemingen gedaan die in spintronica kunnen worden toegepast. Spintronica is een vorm van elektronica waarin gebruik wordt gemaakt van de spin (de ‘richting’ waarin een elektron tolt). Spintronica belooft zeer energiezuinige, snelle en compacte elektronica.
Computers gebruiken veel energie bij hun berekeningen. Daarbij komt warmte vrij en daarom zit er een lawaaiige ventilator in een pc. Een aantal theoretisch natuurkundigen heeft nu echter iets heel merkwaardigs ontdekt: een computer die afkoelt door te rekenen. De implicaties zijn enorm: er is geen fundamenteel verschil tussen de chaos op je harde schijf en die op je kamer. Welkom in The Matrix…
Rekenen kost vrije energie
Als computers een berekening uitvoeren, eindigt hun energie uiteindelijk als afvalwarmte. De Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica is op dit punt onwrikbaar. Informatie en entropie (wanorde) zijn namelijk nauw met elkaar verbonden. Als een berekening informatie toevoegt, verhoogt dit de entropie dus komt er warmte vrij. Dit blijkt echter toch niet helemaal te kloppen, althans bij enkele bizarre berekeningen.
Koud kwantumkunstje
Professor Renato Renner van de Zwitserse ETH en collega Vlatko Vedral van het Centre for Quantum Technologies van de National University of Singapore en de University of Oxford, UK beschrijven in het wetenschappelijke toptijdschrift Nature hoe het verwijderen van data onder bepaalde omstandigheden tot afkoeling in plaats van tot verhitting kan leiden. Het koelingseffect duikt op wanneer het vreemde kwantumfenomeen kwantumverstrengeling (onze lezers welbekend) opduikt. Uiteindelijk kan het effect worden gebruikt om supercomputers te koelen die anders door een te hoge hitteproductie in de problemen komen. “De controle op kwantumniveau krijgen die vereist is om dit in supercomputers te implementeren is een grote technische uitdaging, maar onmogelijk is het waarschijnlijk niet. We hebben de afgelopen twintig jaar een enorme vooruitgang in kwantumtechniek gezien,” aldus Vedral. Met de techniek in moderne kwantumfysica-labs, zou het in principe mogelijk zijn het werkingsprincipe aan te tonen bij een paar bits data.
Landauer’s principe: vergeten maakt heet
Natuurkundige Rolf Landauer toonde in 1961 aan dat tijdens het wissen van data, het vrijkomen van warmte onvermijdelijk is. Landauer’s Principe, zoals het daarna is komen te heten, impliceert dat als meer dan een bepaald aantal rekenstappen per seconde in een zeker systeem plaatsvindt, de hitte niet meer voldoende snel ontsnappen en de computer oververhit raakt. In de supercomputers van nu zijn andere hittebronnen (elektriasche weerstand bijvoorbeeld) belangrijker, maar Renner denkt dat binnen tien tot twintig jaar computers zo snel en zuinig worden dat Landauers hitte beperkend wordt binnen de volgende tien tot twintig jaar.
De vrijkomende Landauerhitte bij het wissen van een harde schijf van tien terabyte staat gelijk aan slechts een microjoule (de energie die nodig is om een stofje een meter op te tillen). Als dit echter heel veel keren (bijvoorbeeld een miljard) keren per seconde gebeurt, dan komt er uiteraard een enorme hoeveelheid hitte vrij (in dit geval duizend watt, het vermogen van een stofzuiger). Niet erg prettig op een warme dag.
Ze laten zien dat als de te verwijderen bits worden kwantumverstrengeld met de waarnemer, de waarnemer zelfs warmte aan het systeem kan onttrekken terwijl hij de bits wist. Kwantumverstrengeling verbindt de kwantumstatus van de waarnemer op een zodanige manier met de computer, dat hij meer over het geheugen weet dan mogelijk in de klassieke natuurkunde.
Computerentropie en natuurkundige entropie zijn exact gelijk
Het woord entropie komt in twee wetenschappen voor: natuurkunde en informatietheorie. Informatietheorie is een vorm van toegepaste wiskunde. In informatietheorie is entropie een maat van de informatiedichtheid. Als je een tekstbestandje opent, is de tekst makkelijk leesbaar. Als je het tekstbestandje met een ZIP-programma samenperst, verandert de tekst in een compacte brij ruis. Hoe meer informatie de tekst bevat, hoe groter het ZIP-bestand. Een tekstbestand dat uit honderdduizend letters a bestaat is dus in zipvorm maar enkele bytes groot, terwijl een even groot tekstbestand dat je onvoltooide meesterlijke roman bevat, tientallen kilobytes groot zal zijn (dus een veel grotere entropie heeft). Voel je overigens niet gevleid. De entropie van honderdduizend random ingeklopte letters en cijfers is nog veel groter.
In thermodynamica (warmteleer) staat entropie gelijk aan wanorde. Zo is de entropie van een flesje met wasbenzine veel kleiner dan die van de wasbenzine, als die door de hele kamer is verspreid. Als die wasbenzine vervolgens ontploft neemt de entropie trouwens nog meer toe). Een toename in entropie (bij gelijkblijvend aantal atomen) betekent gewoonlijk een toename in de hoeveelheid hitte. Niet altijd, verdampen van een vloeistof verhoogt bijvoorbeeld de entropie maar verlaagt de warmte.
ETH-natuurkundige Renner stelt, dat hiermee aangetoond is dat de begrippen entropie uit de informatica en thermodynamica exact hetzelfde betekenen. Natuurkundigen vermoedden dit al omdat de formules waarmee deze vormen entropie worden uitgerekend als twee druppels water op elkaar lijken. In beide gevallen wordt entropie namelijk gedefinieerd als een soort gebrek aan kennis.
Wat voor de een wanorde is, is voor de ander kennis
De entropie van een bepaald object hangt altijd af van de waarnemer. Als je het ZIP-bestand met een wachtwoord hebt vergrendeld (of een ander niet weet dat het om een ZIP-bestand gaat) lijkt het voor een ander een onleesbare brij data met een enorme entropie. Als het gaat om een kopie van een al bestaand tekstbestand en dat weet je, dan heeft het een informatie-inhoud van nul voor jou en kan je het weggooien. Voor je vriend, die je je meesterwerk wil laten lezen heeft het een enorme informatieinhoud omdat hij de inhoud nog niet kent.
Dit proces heeft, zo blijkt, nu zelfs een kwantummechanische equivalent. Als een waarnemer verstrengeld is met de data ‘kent’ zij de data en kan zij de data verwijderen zonder dat dit informatieverlies inhoudt. Entropie in kwantummechanica heeft (zoals wel vaker in de kwantummechanica) de absurde eigenschap dat deze negatief kan zijn. Iets voor meer dan 100% zeker weten dus. Hoewel in het dagelijks leven mensen deze woorden vaak gebruiken (kwantumlogica bij mensen?) is kennis in het dagelijks leven nooit groter dan volledig, 100% dus. Als de waarnemer en het kwantumsysteem volledig zijn verstrengeld, weet de waarnemer meer dan zeker wat er in de data staat. Door de data te wissen, neemt de entropie dan vervolgens af.
Geen afvalwarmte, zelfs afkoeling
In het geval van een entropie van nul (volmaakte kennis van wat er in het computergeheugen staat) kost het wissen van een computergeheugen in theorie helemaal geen energie. De onderzoekers bewezen met hun werk dat “meer dan complete kennis” van kwantumverstrengeling met het geheugen (negatieve entropie) leidt tot het verwijderen van de data tegelijk met het afvoeren van afvalwarmte uit de computer, die tegelijkertijd volledig als vrije energie kan worden gebruikt. De natuurkundige betekenis van negatieve entropie.
Helaas (?) betekent dit volgens Renner geen perpetuum mobile. De data kan slechts één maal worden verwijderd. Het proces vernietigt ook de kwantumverstrengeling en om het systeem weer in zijn begintoestand te brengen moet vrije energie verbruikt worden. Kortom: de tweede hoofdwet blijft overeind, al is het op het nippertje. In de woorden van collega Vedral: “We werken op het randje van de Tweede Hoofdwet. Ga je ook maar iets verder, dan overtreedt je deze.”
Fundamentele bevindingen
Nu beide vormen van entropie fundamenteel gelijk aan elkaar blijken te zijn, kan heel veel onderzoekswerk uit de thermodynamica worden gecopypaste in de wereld van bits en bytes en andersom. Heel interessant is uiteraard om de rol van kwantumverstrengeling verder uit te spitten. Eerder schreven we al over Yasuhiro Hotta’s werk. Hij toonde aan dat energie kan worden geteleporteerd, maar dat daardoor wel kwantumverstrengeling verbruikt wordt. Iets dergelijks lijkt ook hier te gebeuren. Door kwantumverstrengeling te verbruiken kan negatieve entropie worden omgezet in vrije energie.
Voor het eerst zijn wetenschappers er in geslaagd om in een individueel atoom informatie op te slaan. Wordt deze techniek op grote schaal toepasbaar, dan kunnen bijvoorbeeld alle woorden die alle mensen die ooit hebben geleefd, ooit hebben uitgesproken, worden opgeslagen in minder dan een gram materie, bijvoorbeeld een suikerklontje.
Atoomgeheugen voor quantum bits
Vergeet de steeds grotere rekenkracht of hoeveelheid geheugen. De grootste vooruitgang in de computertechniek is geboekt in het steeds sneller en compacter opslaan van data. De wat oudere lezers herinneren zich misschien nog de ponskaartmachines. IBM is daar groot mee geworden.
Een bit op een ponskaart bestaat uit de aan- of afwezigheid van een gaatje dus de informatiedichtheid was niet bijster hoog. Met de komst van magneettape, harde schijven en de moderne solid-state geheugens is de informatiedichtheid werkelijk geëxplodeerd. Op de beste magnetische harde schijven vandaag de dag zijn de magnetische gebiedjes honderd bij honderd nanometer, dat is rond de duizend atomen lang en breed, groot.
Met een nieuwe techniek zijn nu echt geheugens op atoomschaal gerealiseerd. Sterker nog: het atoom slaat de weerbarstige qubits, kwantumbits op wat nog veel grotere mogelijkheden voor berekeningen geeft. Niet alleen zullen kwantumcomputers veel sneller zijn dan bestaande computers, ze worden dus, zo lijkt het, ook nog eens veel kleiner.
Hoe werkt het systeem?
Het systeem dat ontwikkeld is door Holger Specht en zijn collega’s aan het Max Planck Instituut voor Quantum Optiek in het Duitse Garching propt de kwantuminformatie van een gepolariseerd lichtdeelte (foton) in een rubidiumatoom en weet het later uit te lezen.
Hierbij wordt het lichtdeeltje met het rubidiumatoom opgesloten in een holte waar het lichtdeeltje heen en weer kaatst. In ongeveer negen procent van de gevallen is dat lang genoeg om het rubidiumatoom de energie (en kwantuminformatie) te laten opslaan. Het atoom slaagde er in de quantumbit voor 180 microseconden op te slaan. Extreem kort, maar voor een computer een eeuwigheid: op de pc waar ik op werk is deze tijd bijvoorbeeld voldoende om honderdduizenden bewerkingen uit te voeren.
Het atoom moet eerst met een zwakke laserstraal in de juiste aangeslagen toestand worden gebracht, waarna het het foton op kan slokken. Met een tweede laserpuls wordt het atoom er toe gebracht het foton met de kwantuminformatie weer af te staan. Specht denkt dat hij de opslagtijd zelfs kan vergroten tot enkele seconden. Toepassingen zijn onder meer een quantum repeater, een soort versterker om kwantuminformatie over langere afstanden te kunen transporteren. Er zijn meerdere onderzoeksgroepen in de race om het ultieme kwantumgeheugen te ontwikkelen, maar toch is dit een zeer veelbelovend resultaat.