Kunstmatig rooster: hoe licht atomen op hun plaats dwingt
Een kunstmatig rooster — in de natuurkunde meestal 'optisch rooster' genoemd — is geen bouwwerk van staal of hout, maar een patroon gemaakt van puur licht. Onderzoekers laten laserstralen elkaar precies zo kruisen dat er een golfpatroon ontstaat met regelmatig terugkerende dalen en toppen, vergelijkbaar met een eierdoos. In die 'kuiltjes' van het lichtpatroon vangen ze vervolgens losse atomen, die daar als knikkers in blijven zitten.
Het resultaat is een kunstmatig kristal: een strak geordend rooster van atomen, opgebouwd uit licht in plaats van uit een vast materiaal. Omdat onderzoekers de laserbundels tot in detail kunnen sturen, hebben ze een ongekende controle over waar elk atoom zich precies bevindt en hoe het zich gedraagt. Die controle maakt het optisch rooster tot een van de belangrijkste hulpmiddelen in de moderne kwantumtechnologie, van supersnelle atoomklokken tot de eerste generatie kwantumcomputers.
Wat is het precies?
Alles begint met het extreem afkoelen van atomen. Bij kamertemperatuur bewegen atomen te snel om ze vast te houden, dus koelen onderzoekers ze met laserlicht af tot temperaturen van microkelvin of zelfs nanokelvin — dat is maar een fractie van een graad boven het absolute nulpunt (-273,15 °C). Dit gebeurt in een zogeheten magneto-optische val, een combinatie van laserbundels en magneetvelden die atomen afremt en op één plek bijeenhoudt.
Vervolgens sturen onderzoekers twee of meer laserbundels precies tegen elkaar in. Waar deze bundels elkaar kruisen, ontstaat een staande golf: een patroon met vaste plekken van hoge lichtintensiteit en vaste plekken waar nauwelijks licht komt. Dit patroon beweegt niet en herhaalt zich regelmatig in de ruimte, net als de kuiltjes in een eierdoos.
Atomen reageren op licht via een effect dat de dipoolkracht heet, gekoppeld aan wat natuurkundigen de Stark-verschuiving noemen: de energie van een atoom verandert afhankelijk van hoe sterk het licht ter plekke is. Door de golflengte van de laser slim te kiezen, kunnen onderzoekers ervoor zorgen dat atomen energetisch het gunstigst af zijn op de plekken met de hoogste (of juist de laagste) lichtintensiteit. Zo worden ze als het ware in de kuiltjes van het lichtpatroon 'gezogen' en blijven ze daar netjes op hun rooterplek zitten.
Een nauw verwante techniek is de optische pincet (optical tweezers): in plaats van een heel rooster ineens te maken, wordt hierbij met sterk gefocust laserlicht één enkel atoom vastgehouden en verplaatst, als een piepklein grijparmpje van licht. Beide technieken worden tegenwoordig vaak gecombineerd om atomen precies te plaatsen en vast te houden.
Wat wil men ermee bereiken?
Het grootste doel is kwantumsimulatie: het nabootsen van ingewikkelde materialen die met gewone computers niet goed te berekenen zijn. Denk aan hoge-temperatuursupergeleiders (materialen die elektrische stroom zonder weerstand geleiden) of complexe magnetische systemen. Door atomen in een optisch rooster te plaatsen en hun onderlinge wisselwerking na te bootsen, kunnen natuurkundigen zulke materialen als het ware 'namaken' met atomen in plaats van met elektronen in een echt kristal, en zo beter begrijpen hoe ze werken.
Een tweede doel is het bouwen van kwantumcomputers met neutrale atomen als qubits — de kwantumversie van een bit, die in tegenstelling tot een gewone 0 of 1 ook tussenwaarden en combinaties kan aannemen. Optische roosters en pincetten bieden een manier om tientallen tot honderden van zulke qubits nauwkeurig te plaatsen en met elkaar te laten communiceren.
Daarnaast leiden optische roosters tot de nauwkeurigste klokken die de mens ooit heeft gebouwd: optische roosterklokken. Door de trillingsfrequentie van atomen die stilzitten in een rooster als tijdmaat te gebruiken, ontstaan klokken die pas na miljarden jaren een seconde zouden afwijken. Dit soort precisie is relevant voor onder meer satellietnavigatie en een mogelijke toekomstige herdefinitie van de seconde zelf.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste doorbraken kwam in 2002, toen de natuurkundigen Immanuel Bloch en Theodor Hänsch (verbonden aan het Max Planck Institut für Quantenoptik en de Ludwig-Maximilians-Universität in München) experimenteel aantoonden dat atomen in een optisch rooster kunnen overgaan van een vloeibare, bewegende toestand naar een 'Mott-isolator': een toestand waarin elk atoom strikt op zijn eigen roosterplek vastzit, zonder te kunnen bewegen. Dit experiment gaf een enorme impuls aan het veld van kwantumsimulatie.
Bij het Amerikaanse NIST en het samenwerkingsinstituut JILA werken onderzoekers, onder wie Jun Ye, al jaren aan optische roosterklokken op basis van strontium- en ytterbiumatomen. Deze klokken behoren tot de nauwkeurigste meetinstrumenten ter wereld en worden gebruikt om fundamentele natuurkunde te testen, zoals of natuurconstanten werkelijk constant zijn.
Op het gebied van kwantumcomputing bouwde het Amerikaanse bedrijf QuEra Computing, voortgekomen uit onderzoek aan Harvard en MIT, de Aquila-processor: een neutrale-atomen kwantumcomputer die optische pincetten gebruikt om atomen in aanpasbare roosterpatronen te rangschikken. Het Franse bedrijf Pasqal, ontstaan vanuit het Institut d'Optique, ontwikkelt vergelijkbare neutrale-atomen kwantumprocessors en werkt onder meer samen met Europese onderzoeksinstellingen.
Ook aan universiteiten als Harvard en MIT lopen doorlopend experimenten waarin optische roosters worden gebruikt om magnetische ordeningen en exotische kwantumtoestanden van materie te bestuderen, met als doel beter te begrijpen hoe elektronen zich in echte, complexe materialen gedragen.
Hoe ver is de techniek?
Optische roosters zijn geen gloednieuwe uitvinding: de basistechniek bestaat sinds de jaren negentig en begin jaren tweeduizend, en geldt inmiddels als gevestigde laboratoriumtechnologie. Wat de laatste jaren wél in een stroomversnelling is geraakt, is de toepassing ervan in commerciële kwantumcomputers: bedrijven als QuEra en Pasqal hebben systemen gebouwd die buiten de muren van universitaire laboratoria via de cloud toegankelijk zijn.
Toch zijn er nog forse obstakels. Opschalen naar veel meer atomen zonder fouten blijft lastig, en kwantumsystemen zijn extreem gevoelig voor verstoring van buitenaf — een probleem dat decoherentie heet, waarbij een atoom zijn broze kwantumeigenschappen verliest door contact met de omgeving. Om dat te voorkomen zijn de experimenten afhankelijk van hoogvacuümkamers en trillingsvrije opstellingen, wat de systemen duur en gevoelig maakt.
Praktische, foutgecorrigeerde kwantumcomputers — machines die betrouwbaar complexe berekeningen kunnen uitvoeren zonder dat fouten zich opstapelen — bestaan nog niet. De huidige neutrale-atomen systemen worden vooral gebruikt voor onderzoek en specifieke simulatietaken, niet voor algemene toepassingen. Hoe snel dat verandert, is onzeker en hangt sterk af van doorbraken in foutcorrectie.
Wie werken eraan?
Op onderzoeksgebied lopen instituten als het Max Planck Institute of Quantum Optics in Duitsland en JILA/NIST in de Verenigde Staten voorop, samen met universiteiten als Harvard en MIT. Deze instellingen leggen de fundamentele natuurkundige basis waarop latere toepassingen voortbouwen.
Op het gebied van commerciële kwantumcomputers zijn QuEra Computing en ColdQuanta (inmiddels opgegaan in het bedrijf Infleqtion) de bekendste Amerikaanse spelers, terwijl Pasqal de belangrijkste Franse en Europese speler is. Deze bedrijven werken vaak nauw samen met de universiteiten waar de onderliggende technologie is ontwikkeld.
Op landenniveau investeren vooral de Verenigde Staten, Duitsland en Frankrijk fors in deze technologie, mede via nationale kwantumprogramma's. Binnen Europa vormt het EU Quantum Flagship-programma een overkoepelend initiatief dat onderzoek naar kwantumtechnologieën, waaronder optische roosters, over landsgrenzen heen probeert te bundelen.