Demonstration of a mobile ion-trap quantum device

Stel je een wereld voor waarin de meest delicate instrumenten van de moderne wetenschap niet opgeborgen liggen in trillingsvrije kelders, maar in een bus kunnen worden ingepakt en door een land kunnen worden gereden. Dit is de grens van de kwantuminformatiewetenschap, een vakgebied dat probeert de vreemde regels van de atomaire wereld te benutten om computers en sensoren te bouwen die veel krachtiger zijn dan alles wat we vandaag de dag hebben. In het hart van deze revolutie staan gevangen ionen: piepkleine, elektrisch geladen atomen die op hun plaats worden gehouden door onzichtbare velden van elektriciteit en magnetisme. Wetenschappers gebruiken deze ionen als bits aan informatie, waarbij ze ze met lasers manipuleren om berekeningen uit te voeren of de tijd met ongelooflijke precisie te meten. Decennialang vereisten deze experimenten dat de ionen perfect stilzaten in een laboratorium. Als de apparatuur bewoog, zou het delicate evenwicht worden verbroken en zouden de atomen uiteenvliegen. Deze beperking heeft de kwantumtechnologie aan specifieke locaties geketend, onmachtig om te reizen naar de plaatsen waar ze het hardst nodig kunnen zijn.

Een team van onderzoekers heeft nu een belangrijke stap gezet om die ketting te verbreken. Ze hebben succesvol aangetoond dat een wolk van duizenden geladen atomen in een gespecialiseerd apparaat kan worden gehouden terwijl dat apparaat enkele kilometers in een bewegend voertuig wordt gereden. Het experiment hield in dat de atomen werden geladen in een lineaire val — een kamer bekleed met metalen staven die radiogolven gebruiken om de ionen in de lucht te laten zweven — en vervolgens het hele apparaat in een bus werd gereden voor afstanden van bijna 18,6 kilometer en 63,4 kilometer. De ionen werden respectievelijk 15 minuten en 45 minuten lang veilig vastgehouden en overleefden de schokken en bochten van de weg zonder te ontsnappen. Deze prestatie bewijst dat de technologie die wordt gebruikt om kwantumcomputers en sensoren te bouwen, mobiel kan worden gemaakt, wat de deur opent naar experimenten die voorheen onmogelijk waren, zoals het testen van de fundamentele wetten van de fysica terwijl men in beweging is, of het transporteren van exotische deeltjes tussen verschillende onderzoekscentra.

De reis begon met een op maat gemaakt apparaat, ontworpen om te voldoen aan de strikte eisen van de kwantumwetenschap. De kern van het apparaat is een lineaire Paul-val, een kamer ter grootte van ongeveer een grote schoenendoos, opgebouwd uit vier parallelle metalen staven. Binnen deze vacuümgetrokken kamer creëerden de onderzoekers een stabiele omgeving waar elektrische velden de atomen op hun plaats konden houden. Om de atomen daar te krijgen, gebruikten ze een laser om een klein plekje op een van de metalen elektroden te beschieten, waardoor er minuscule fragmenten materiaal loskwamen die de geladen ionen vormden die nodig waren voor het experiment. Zodra de ionen binnen waren, werd de val verzegeld en werd de hele assemblage op een rek gemonteerd dat gevuld was met voedingen, computers en monitoringsapparatuur. Dit rek werd vervolgens met een heftruck in een bus geladen en stevig aan de vloer vastgesnoerd met riemen om te voorkomen dat het zou schuiven.

De onderzoekers zetten de reis aan om te zien of de ionen de rit zouden overleven. In de eerste test laadden ze de ionen in bij een rustplaats nabij de grens van Oostenrijk en Italië. Terwijl de bus stilstond, bevestigden ze dat de ionen gevangen waren. Vervolgens reden ze met de bus 18,6 kilometer langs een snelweg, waarbij ze zowel rechte stukken als bochten navigeerden, voordat ze 15 minuten later op een bestemming aankwamen. Tijdens de rit draaide de apparatuur op batterijvoeding en hielden de onderzoekers een camera gericht op een detector aan het uiteinde van de val om te kijken naar elk teken dat de ionen zouden ontsnappen. Toen ze stopten en de val openden, vonden ze dat de overgrote meerderheid van de ionen nog steeds aanwezig was. Ze telden ongeveer 3.800 ionen, een aantal dat aantoonde dat het apparaat hen net zo goed had vastgehouden als in een stille, stationaire laboratoriumomgeving.

Geënthousiasmeerd door dit succes, dreef het team de grenzen verder op. In een tweede experiment laadden ze de ionen in nabij een stad in Duitsland en reden ze 63,4 kilometer, een reis die 45 minuten duurde. Dit keer legde de bus een grotere afstand af, waardoor de ionen een langere tijd in beweging waren blootgesteld. Toen ze eindelijk stopten en de detector controleerden, vonden ze ongeveer 1.170 resterende ionen. Hoewel dit minder was dan bij de kortere rit, was de daling in aantallen precies wat de wetenschappers verwachtten op basis van hoe lang de ionen van nature in de val overleven. Het verlies kwam door de passage van de tijd, niet door de beweging van het voertuig. De resultaten bevestigden dat de ionen niet werden losgeschud door de beweging van de bus; ze verouderden simpelweg in hetzelfde tempo als in een vast laboratorium.

Dit werk markeert een fundamentele verschuiving in hoe deze kwantumsystemen kunnen worden gebruikt. Voorheen was de enige manier om geladen deeltjes over lange afstanden te verplaatsen het gebruik van een ander type val dat vertrouwde op magnetische velden, die zwaar en moeilijk te gebruiken zijn voor de precieze kwantumbewerkingen die wetenschappers nodig hebben. Het apparaat dat in deze studie werd gebruikt, vertrouwt op radiofrequentie-elektrische velden, wat de standaard is voor de meest geavanceerde kwantumcomputers en netwerken. Door te bewijzen dat deze standaardtechnologie kan werken terwijl deze in beweging is, hebben de onderzoekers aangetoond dat mobiele kwantumapparaten mogelijk zijn. Het apparaat dat zij bouwden, bevat een speciale klep die wetenschappers er op een dag de mogelijkheid toe kan bieden om verschillende soorten atomen, of zelfs exotische deeltjes zoals antimaterie, rechtstreeks in de val te laden terwijl zij onderweg zijn.

De implicaties van deze mobiliteit zijn enorm. Als kwantumsensoren verplaatst kunnen worden, zouden ze gebruikt kunnen worden om zwaartekracht of magnetische velden op afgelegen locaties te meten, of om theorieën over hoe tijd en ruimte zich gedragen onder versnelling te testen. Het vermogen om exotische deeltjes tussen laboratoria te transporteren, zou wetenschappers in staat stellen om antimaterie te bestuderen in omgevingen die ver verwijderd zijn van de luidruchtige, hoogenergetische omgevingen van deeltjesversnellers. Hoewel het huidige experiment zich richtte op het gevangen houden van de ionen, is de volgende logische stap voor het vakgebied om aan te tonen dat deze bewegende apparaten ook de ionen kunnen koelen en complexe kwantumbewerkingen kunnen uitvoeren terwijl ze rijden. Voor nu hebben de onderzoekers het fundament gelegd: de atomen blijven op hun plek, zelfs wanneer de wereld om hen heen in beweging is.