Hokjesdenken

Gevoelige informatie

De wetten van de quantummechanica hebben soms heel tegen intuïtieve gevolgen. Zo kunnen quantumdeeltjes meerdere toestanden tegelijkertijd aannemen; dit noemen we een superpositie. Dit soort quantumdeeltjes zijn de bouwstenen van de quantumcomputer, qubits, die ‘0’ en ‘1’ tegelijkertijd kunnen zijn.

Quantuminformatie in qubits is heel gevoelig. Kleine veranderingen in de omgeving van quantumdeeltjes zorgen al voor oncontroleerbare veranderingen, die uiteindelijk leiden tot fouten in de quantumberekeningen. Het is dan ook een enorme uitdaging die quantumberekeningen te beschermen tegen dit soort fouten.

Meten is weten

Wanneer een eigenschap van een quantumtoestand wordt gemeten, wordt het systeem geprojecteerd in een toestand die compatibel is met deze eigenschap. Een qubit in een superpositie van ‘0’ en ‘1’ wordt bijvoorbeeld door een meting geprojecteerd in ‘0’ of ‘1’ en behoudt die toestand als er steeds weer wordt gekeken. In tegenstelling tot een vliegende pijl van Zeno kan een qubit dus in een bepaalde toestand worden gehouden wanneer deze steeds wordt bekeken; dit noemen we het quantum Zeno effect.

Maar dit effect is voor quantumberekeningen juist heel onhandig. De kracht van qubits zit in de superpositie: doordat er meerdere toestanden tegelijkertijd mogelijk zijn, kunnen bepaalde berekeningen veel sneller worden uitgevoerd. We willen onze qubits dan ook helemaal niet in één toestand dwingen.

Generaliseren

Het wordt daarom pas echt interessant als we meerdere qubits tegelijkertijd meten. We kunnen bijvoorbeeld alleen gedeelde eigenschappen bekijken en zo de quantumtoestanden daardoor in subgroepen verdelen. Net als wanneer je mensen indeelt in groepen, bijvoorbeeld met of zonder bril, is er dan nog genoeg ruimte voor verschillen binnen deze groepen.

Dit is precies wat we hebben gebruikt: door alleen naar gedeelde eigenschappen te kijken, is er na de meting nog steeds ruimte over om de quantumtoestand te transformeren. Door de eigenschappen zo te kiezen dat de qubits worden geprojecteerd in subgroepen waarbij ongecontroleerde veranderingen door de omgeving worden onderdrukt maar er toch quantumberekeningen kunnen worden uitgevoerd.

1,2… 3

Mijn collega Norbert Kalb heeft het quantum Zeno effect laten zien met quantumdeeltjes in diamant. Door bepaalde eigenschappen van atoomkernen te projecteren via een elektron als tussenstation genereerde hij quantum Zeno subgroepen. Hij deed dit soort experimenten eerst met één kernspin (een kwantummechanische eigenschap van atomen, die we vaak weergeven als pijl in een bepaalde richting), om te laten zien wat het effect betekent.

Vervolgens ging hij verder met het meten van gedeelde eigenschappen tussen twee tot drie van die kernspins. Door die eigenschappen steeds vaker te projecteren lukte het om quantuminformatie steeds langer te bewaren! In het laatste experiment liet Norbert zien dat je met drie kernspins zelfs verstrengelde quantumtoestanden langer kunt beschermen tegen de ongewenste invloed van de omgeving.