PlaatjeArtikelLichtStaatEenMinuutStil

Drie nauwelijks zichtbare streepjes licht. Dat was het resultaat van het experiment. Een wetenschappelijke doorbraak, aldus de wetenschappers Georg Heinze, Christian Hubrich en Thomas Halfmann van de universiteit van Darmstadt. Die drie vage streepjes licht (zie plaatje) leverden namelijk het bewijs dat informatie bewaard blijft als je licht één minuut opslaat in een kristal!

Dood en levend
Om dit resultaat te bereiken maakten Heinze, Hubrich en Halfmann dankbaar gebruik van de quantummechanica. Deze theorie beschouwt een deeltje in meerdere staten tegelijkertijd, tot één van zijn eigenschappen daadwerkelijk waargenomen wordt. De wetenschapper Schrödinger legde dit uit aan de hand van een gedachtenexperiment. Stel, je sluit een kat op in een stalen doos met een flesje vergif dat op een willekeurig moment open breekt en de kat doodt. Zolang je de doos niet opent, weet je niet of de kat dood of levend is. Je zou kunnen zeggen dat de kat zich in een toestand bevindt waarin hij zowel dood als levend is. Pas bij het openen van de doos, weet je hoe het met de kat gesteld is.

De onderzoekers gebruikten voor hun experiment een speciaal kristal wat eigenlijk ondoorzichtig is voor een bepaald soort licht: dit licht, bestaande uit energiepakketjes genaamd fotonen, reflecteren van het kristaloppervlak. Om ervoor te zorgen dat het kristal toch licht doorlaat, gebruikten de wetenschappers licht afkomstig van een laser. Dat brengt de atomen in het kristal in meerdere staten tegelijkertijd, een mengelmoes van doorzichtig en ondoorzichtig. Hierdoor kunnen fotonen van een bepaalde energie het kristal binnendringen. Een tweede laser schiet vervolgens fotonen met precies die energie in het kristal. Voordat de fotonen in het kristal terecht komen, worden ze eerst door een masker gestuurd waar sommige delen van de lichtbundel wel worden doorgelaten en andere niet: zo ontstaan de drie strepen. Zodra de fotonen van de tweede laser het kristal bereikt hebben, wordt de eerste laser weer uitgezet. Het kristal laat het laserlicht niet langer door en de fotonen die nog in het kristal zitten, worden als het ware gevangen genomen.

De fotonen worden niet behouden in het kristal: ze verdwijnen. De energie en de eigenschappen worden opgenomen door de elektronen van het kristal. Zodra de eerste laser weer wordt aangezet en het kristal weer transparant is voor licht, laten de elektronen de energie weer los in de vorm van nieuwe fotonen, met dezelfde eigenschappen. Deze fotonen verlaten het kristal en worden opgevangen, zodat de wetenschappers konden bestuderen wat er over is van hun oorspronkelijke drie lichtstrepen. Dit hangt af van de tijd dat de fotonen opgesloten zaten: hoe meer tijd de fotonen in het kristal doorbrachten, hoe meer informatie over de originele distributie verloren ging dankzij botsingen van de elektronen met andere atomen. Maar nadat het licht voor zestig seconden opgesloten had gezeten, konden de onderzoekers nog steeds de oorspronkelijke drie strepen herkennen.

Sneller Facebooken weer een stapje dichterbij
Wat dit experiment laat zien is dat de informatie die opgeslagen wordt in het kristal, ook op die positie behouden blijft. Op deze manier blijft de informatie georganiseerd en is er plek in het kristal voor meer informatie, wat van pas komt bij het ontwerpen van supersnelle quantum computers. Hoewel veel wetenschappers zich met de ontwikkeling hiervan bezighouden zijn quantum computers nog niet geschikt voor dagelijks gebruik. De state of the art op dit gebied werd eerder dit jaar gekocht door Google: een computer, waarvan zelfs de makers niet helemaal begrepen hoe hij werkte, met een prijskaartje van een paar miljoen dollar. Bovendien was hij gebouwd om slechts één enkel probleem op te lossen, wat hij net iets sneller deed dan een huis-tuin-en-keuken computer.  Dat de quantum computer sneller was, hadden de wetenschappers verwacht. Want in tegenstelling tot een gewone computer, die bits leest met de waarde 0 of 1, leest een quantumcomputer qubits. Dit zijn deeltjes die de waarde 0 of 1, maar ook een mengelmoes van de twee kunnen hebben. Als een qubit bestaat uit een mengelmoes van 0 en 1, kan een quantumcomputer de berekening op alle twee deze waarden tegelijkertijd uitvoeren. Eén berekening levert dus twee resultaten op, terwijl een gewone computer hiervoor twee keer een berekening moet doen. En als het aantal qubits groter wordt, stijgt ook het aantal mogelijke uitkomsten. Al deze informatie moet opgeslagen worden door de quantum computer, en het experiment van Heinze, Hubrich en Halfmann laat zien dat dit mogelijk is. Toch weer een stapje dichterbij een quantum computer op je buro.