De kwantumtheorie komt in zicht. Letterlijk. Tot nu toe hield de theorie zich schuil in de wereld van atomen en moleculen. Daar heersten de wetten van waarschijnlijkheid, daar konden deeltjes op meerdere plaatsen tegelijk zijn.

In de macrowereld was van die kwantumeffecten niets te zien. Indirect wel: Computers en lasers danken hun werking aan de dergelijke effecten. Maar de typische fenomenen zoals discrete energieniveaus bleven verborgen doordat de vele, kleine effecten elkaar uitdoofden.

Gifcapsule
Dat onderscheid tussen micro- en macrowereld zat fysici niet echt lekker. De kwantumtheorie moest natuurlijk overal gelden. Daarom wrong het beroemde gedachte-experiment van Erwin Schrödinger, een van de founding fathers van de kwantumtheorie, ook zo. Zijn kat, die was verstopt in een doos, samen met een dodelijke gifcapsule en een kwantummechanisch ontstekingsmechanisme, zou volgens Schrödinger dood en levend tegelijk moeten zijn. Dat kan natuurlijk niet, en dat komt, luidde een veelgebruikte verklaring, doordat in de overgang van klein naar groot de kwantummechanische onzekerheid verdwijnt. Hoe precies, dat bleef onduidelijk.

Mechaniekje
Amerikaanse fysici slaan nu een brug tussen deze twee werelden. Op de internetsite van Nature presenteren ze een ‘apparaatje’ dat met het blote oog waarneembaar is en toch kwantumeigenschappen heeft. Dat zijn twee prestaties van formaat in één artikel.

Ten eerste moesten ze een mechaniekje fabriceren dat aantoonbaar in zijn kwantummechanische grondtoestand zit, dat wil zeggen dat alle atomen zich in rust bevinden. Pas dan heeft het zin om te proberen het systeem een kwantumsprongetje te laten maken.

Koeltechniek
Maar dat vereist extreem lage temperaturen, kouder dan het miljoenste deel van een Kelvin. Komt de temperatuur daarboven, dan kunnen de atomen er voldoende energie uit putten om zo nu en dan een trilling door het kristalrooster te laten gaan – en worden de toegevoegde kwantumeffecten aan het zicht onttrokken. Zo’n lage temperatuur leek echter met de bestaande koeltechnieken een onneembare hindernis.

De fysici omzeilen dit probleem door een soort piëzo-elektrisch kristalletje te bouwen. Dat vibreert als er een elektrische spanning over komt te staan. De frequentie die daarbij hoort, is veel groter dan die van normale mechanische objecten. Zo’n hoge frequentie heeft ook meer energie nodig, en dus hoeft de temperatuur niet zo laag te zijn. Bij 25 millikelvin (goed te doen in een modern laboratorium) verkeerde het piëzo-elektrisch kristalletje in diepe rust.

Qubit
De tweede prestatie bestond eruit dat de fysici hun apparaatje koppelden aan een kwantumsysteem waarvan ze de toestanden konden manipuleren. Daarvoor gebruikten ze een zogeheten qubit, de kwantummechanische variant van een computerbit (heeft een gewone bit de waarde nul of een, een qubit verenigt die twee waarden in alle mogelijke verhoudingen).

Vaak bestaat een qubit uit een microscopisch klein stroomkringetje, waarbij de stroom linksom en rechtsom kan draaien (0 of 1), maar ook – geloof het of niet – in een combinatie van die twee (dus tegelijk linksom en rechtsom).

Test
Het was nog een hele toer om de twee zo te koppelen dat het qubit zijn eigenschappen doorgaf aan het apparaatje, en weer terug - en te bewijzen dat dit inderdaad gebeurde – maar de fysici slagen overtuigend voor deze test.

Het lukt ze zelfs om het qubit een verstrengelde toestand over te laten brengen, al moeten ze erkennen dat ze dit alleen indirect kunnen bewijzen. Het definitieve antwoord op vraag over de kat van Schrödinger – is ze dood, levend, of allebei tegelijk – laat dus nog even op zich wachten.

Lyrisch
Toch is de commentator van Nature lyrisch. Een jaar geleden, toen dezelfde fysici op een conferentie in Duitsland hadden laten zien hoe vaardig ze waren in het manipuleren van dergelijke minisystemen, hadden ze al een staande ovatie van vakgenoten gekregen. Nu hebben ze met dit apparaatje, schrijft hij, “de deur geopend naar een wereld waarin we macroscopische objecten op kwantumniveau beheersen. De kwantumcomputer lonkt.”
 

Joep Engels

A.D. O’Connell e.a.: ‘Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator’, in Nature advanced online van 17 maart 2010