Gepubliceerd op 26 juni 2008
Atomen wisselwerken op grote afstand
Gepubliceerd op 26 juni 2008
Twee laserbundels (oranje en rood) in een wolk koude atomen (blauw)
maken quantumbits.
Afzonderlijke atomen kunnen met elkaar wisselwerken op de
spectaculaire afstand van veertig micrometer, de dikte van een haar.
Dat hebben onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, de
Stichting FOM en de Auburn University (Verenigde Staten) voor het
eerst waargenomen. Normaal beïnvloeden atomen - omdat ze elektrisch
neutraal zijn - elkaar alleen op afstanden die vergelijkbaar zijn met
hun eigen grootte (ongeveer 0,1 nanometer).
De onderzoekers hebben de atomen met behulp van twee lasers
duizendvoudig vergroot, waarna ze invloed op elkaar bleken uit te
oefenen tot op een miljoen keer hun oorspronkelijke grootte. De
ontdekking opent een alternatieve weg naar het maken van quantumbits,
bouwstenen voor een quantumcomputer, wat vanaf nu op micrometerschaal
in plaats van op nanometerschaal kan plaatsvinden. Het gezaghebbende
wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters publiceerde op
20 juni de resultaten van het onderzoek. Natuurkundige Carolijn van
Ditzhuijzen van het Van der Waals-Zeeman Instituut van de UvA en haar
collega's hebben met behulp van lasers rubidiumatomen vergroot.
Een meting van de hoeveelheid atomen in toestand 1 in de rechter
laserbundel. Rechtsonder een foto van de dwarsdoorsnede van de twee
laserbundels.
Het laserlicht slingert het buitenste elektron van het atoom verder
naar buiten, waarbij twee nauwe laserbundels op veertig micrometer
afstand staan. De grote atomen worden dus gecreëerd in twee gescheiden
smalle volumes, bepaald door de plaats waar het laserlicht is
langsgekomen. Na de laserpulsen krijgen de atomen vrij spel. Het
blijkt dat de atomen in het ene volume energie verliezen, terwijl de
atomen in het andere volume dezelfde hoeveelheid energie winnen. Dit
energietransport wordt mogelijk gemaakt door de zogeheten
dipool-dipool interactie, een speciaal geval van de bekende Van der
Waals interactie, verantwoordelijk voor bijvoorbeeld het bij elkaar
houden van moleculen in vloeistoffen. Tijdens de interactie bewegen de
atomen zelf niet. Dit is gewaarborgd doordat er met koude atomen wordt
gewerkt: de atomen hebben een temperatuur die een miljoen keer lager
is dan kamertemperatuur en daardoor een snelheid die duizend keer
kleiner is dan de normale geluidssnelheid. Na een zekere
interactietijd worden de atomen gedetecteerd door met een elektrisch
veld het los gebonden elektron er helemaal af te trekken. Hiermee
wordt vastgesteld in welke toestand de atomen zaten, met andere
woorden, hoeveel energie het buitenste elektron had.
In feite zijn er twee computerbits geschreven, een bit 1 in de linker
bundel en een bit 0 in de rechter, die na de interactie een 0 links en
1 rechts zijn geworden. De atomen houden zich aan de wetten van de
quantummechanica; de bits zijn dus eigenlijk quantumbits. Anders dan
veel andere ideeën voor quantumcomputers is hier de belangrijkste
afstandsschaal geen nanometer, maar micrometer: nanotechnologie op een
micrometerschaal. Een ander verschil is dat door mensen gemaakte
structuren variatie kunnen vertonen, terwijl atomen volmaakt identiek
zijn.
Universiteit van Amsterdam