Wiskundig bewijs brengt test van kwantumkompas bij trekvogels dichterbij

Al bijna vijftig jaar bestaat het vermoeden dat trekvogels het magnetische veld van de aarde 'zien' dankzij een kwantumtruc in hun cellen. Bewijzen lukte tot nu toe niet: de effecten spelen zich af op een schaal die duizenden keren kleiner is dan een vogel, en de processen duren maar een oogwenk. Een team van het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) in Japan zegt nu een belangrijke wiskundige horde te hebben genomen die laboratoriumtests dichterbij brengt.

De hypothese draait om zogeheten radicaalparen: twee ongebonden elektronen die via hun kwantumspin met elkaar verstrengeld kunnen raken tijdens een biochemische reactie in het oog van een vogel. Hoe lang die verstrengelde toestand standhoudt, bepaalt hoe snel er stabiele stofjes ontstaan — en dat proces is gevoelig voor externe magnetische velden, zelfs voor een veld zo zwak als dat van de aarde. In theorie zou een vogel daardoor de sterkte en richting van het aardmagnetisch veld kunnen aflezen aan de hoeveelheid reactieproduct.

Sturen met een denkbeeldig gaspedaal

Om zo'n kwantumsysteem gericht te sturen, moet je precies weten hoe je een magneetveld moet aanpassen. Onderzoeksleider Ugur Abdulla en collega's bewezen eerder al het zogeheten Pontryagin Maximum Principle voor dit soort systemen: de snelste manier om een maximaal coherente — dus maximaal verstrengelde — toestand te bereiken, is door het magneetveld abrupt tussen twee uiterste waarden te laten springen. Vergelijk het met autorijden: voluit optrekken en daarna hard remmen komt sneller aan dan gestaag gas geven.

Het probleem is dat zulke abrupte, 'bang-bang' schakelingen op de tijdschaal van kwantumdeeltjes technisch nauwelijks te realiseren zijn, laat staan in een levend oog. Abdulla werkte daarom samen met Jose Rodrigues van OIST en Jean-Jacques Slotine van het Massachusetts Institute of Technology aan een haalbaarder alternatief: een versie van het wiskundige principe die werkt met vloeiende, continue magneetvelden in plaats van harde schakelingen.

Bijna net zo goed als het optimum

Het resultaat, gepubliceerd in het tijdschrift Quantum, laat zien dat deze realistische aanpak een kwantumtoestand kan bereiken die minder dan 1 procent afwijkt van het theoretisch optimum. Daarmee ligt er voor het eerst een concreet recept waarmee experimentatoren in het lab kunnen proberen na te bootsen wat er mogelijk in een vogeloog gebeurt — inclusief het risico dat decoherentie de verstrengeling te snel laat verdwijnen.

Volgens Abdulla is de toepassing breder dan vogeltrek alleen: dezelfde wiskunde is nodig om kwantumcomputers en andere kwantumtechnologie betrouwbaar aan te sturen. De onderzoekers benadrukken dat hun model een vereenvoudigde weergave van de werkelijkheid blijft. Vervolgstappen moeten uitwijzen of echte experimenten, met echte moleculen en echte magneetvelden, de voorspelling bevestigen.