Kwantum-nondemolitiemeting: iets meten zonder het te verstoren

Stel je wilt weten of er een bal door een donkere kamer is gerold, zonder dat je de bal mag aanraken. Je zou kunnen luisteren naar het geluid dat hij maakt, of voelen aan de lucht die hij verplaatst. Op die manier leer je iets over de bal zonder zijn pad te veranderen. Dat is in essentie het idee achter een kwantum-nondemolitiemeting (ook wel QND-meting genoemd, van het Engelse quantum non-demolition): een manier om iets over een kwantumdeeltje of -toestand te weten te komen zonder die toestand te vernietigen of onherstelbaar te verstoren.

Dat klinkt misschien vanzelfsprekend, maar in de kwantummechanica is het juist heel lastig. Normaal gesproken verandert een meting het systeem dat je meet. Een foton (een lichtdeeltje) detecteren gebeurt meestal door het te laten absorberen in een sensor: je weet dan dat het er was, maar het foton zelf is verdwenen. Je kunt het niet nog een keer meten. Een kwantum-nondemolitiemeting is ontworpen om dat probleem te omzeilen: ze laat het gemeten kenmerk (bijvoorbeeld "is er een foton aanwezig?") intact, zodat je dezelfde meting desnoods nog een keer kunt herhalen en hetzelfde antwoord krijgt. Dat maakt zulke metingen bijzonder waardevol in de kwantumtechnologie, van kwantumcomputers tot detectoren voor zwaartekrachtsgolven.

Wat is het precies?

Om te snappen waarom dit knap is, helpt het eerst te weten wat een "gewone" kwantummeting doet. Volgens de kwantummechanica bestaat een deeltje vaak in een combinatie van meerdere mogelijke toestanden tegelijk (een superpositie). Zodra je meet, "kiest" het systeem willekeurig één van die mogelijkheden: dit heet het instorten van de golffunctie. Dat instorten is op zichzelf al een drastische verstoring. Erger nog: door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg verstoort het meten van de ene eigenschap (bijvoorbeeld de positie van een deeltje) vaak ook een andere, complementaire eigenschap (de snelheid), zelfs als je die niet probeerde te meten.

Een kwantum-nondemolitiemeting is een slimme constructie die dit effect beperkt tot precies de eigenschap die je niet meet. De truc is dat natuurkundigen het te meten systeem koppelen aan een tweede systeem, een soort "meter" of hulpdeeltje (ancilla), via een interactie die wiskundig commuteert met de eigenschap die ze willen weten. In gewone taal: de koppeling is zo ontworpen dat de eigenschap die je meet, ongemoeid blijft, terwijl alle onvermijdelijke verstoring wordt afgewenteld op een ándere eigenschap waar je niet in geïnteresseerd bent.

Concreet werkt dit meestal in drie stappen. Eerst laat je het systeem (bijvoorbeeld een atoom, foton of supraleidend qubit) kort interageren met een probe, zonder het systeem zelf aan te raken. Die probe kan licht zijn dat erlangs stroomt, of een elektrische resonator waarmee het systeem gekoppeld is. Vervolgens krijgt die probe een subtiele verandering mee die afhangt van de toestand van het systeem, bijvoorbeeld een kleine frequentie- of faseverschuiving. Als laatste stap meet je niet het systeem zelf, maar die probe. Omdat de koppeling zo gekozen is dat de gemeten eigenschap een "bewaarde" grootheid blijft tijdens deze interactie, komt het systeem na de meting terecht in precies de toestand die bij het gemeten resultaat past, en blijft het daar ook in staan.

In de praktijk is dit bijvoorbeeld de manier waarop de toestand van een supraleidende qubit (de rekeneenheid van veel moderne kwantumcomputers) wordt uitgelezen: niet door de qubit direct te bekijken, maar door een nabijgelegen microgolfresonator uit te lezen waarvan de resonantiefrequentie een beetje verschuift afhankelijk van de qubittoestand (dit heet dispersieve uitlezing).

Wat wil men ermee bereiken?

De belangrijkste drijfveer is foutcorrectie in kwantumcomputers. Een kwantumcomputer rekent met qubits die extreem gevoelig zijn voor storingen; fouten moeten voortdurend opgespoord en gecorrigeerd worden. Dat vereist herhaalde metingen van bepaalde controlegrootheden (zogeheten stabilisatoren) zonder de onderliggende, kostbare kwantuminformatie te vernietigen. Zonder nondemolitiemetingen zou elke foutcontrole de berekening zelf om zeep helpen.

Een tweede drijfveer is precisiemeten, ook wel kwantummetrologie. Detectoren voor zwaartekrachtsgolven, zoals LIGO, moeten extreem kleine verschuivingen in laserlicht meten. Op dat precisieniveau begint de kwantummechanica zelf ruis te veroorzaken (de zogeheten standaardkwantumlimiet). Technieken die verwant zijn aan nondemolitiemetingen, zoals het gebruik van "samengeknepen" (squeezed) licht, helpen om onder die limiet te meten.

Daarnaast is er een meer fundamentele, wetenschappelijke motivatie: het rechtstreeks observeren van kwantumgedrag dat anders verborgen blijft. Door hetzelfde kwantumsysteem herhaaldelijk non-destructief te meten, kunnen onderzoekers bijvoorbeeld het instorten van de golffunctie stap voor stap volgen, of individuele "kwantumsprongen" zien gebeuren. Dat heeft decennialang bijgedragen aan het testen en bevestigen van de kwantummechanica zelf.

Voorbeelden uit de praktijk

• Serge Haroche en zijn groep, École Normale Supérieure Parijs (jaren negentig–2007): met Rydberg-atomen die één voor één door een microgolfholte vlogen, konden ze de aanwezigheid van een enkel foton in de holte detecteren zonder het te absorberen, en zo zelfs het geboren worden en verdwijnen van individuele fotonen in de tijd volgen (gepubliceerd onder meer in Nature, 2007).
• David Wineland, NIST (jaren negentig–2000er jaren): ontwikkelde vergelijkbare nondemolitietechnieken met gevangen ionen, essentieel voor het uitlezen van ionenqubits zonder hun kwantumtoestand te vernietigen.
• Nobelprijs Natuurkunde 2012: Haroche en Wineland deelden deze prijs mede voor hun werk aan het meten en manipuleren van individuele kwantumsystemen, met nondemolitiemetingen als kernonderdeel van hun experimenten.
• Supraleidende kwantumprocessoren (Google Quantum AI, IBM, en onderzoeksgroepen aan Yale University en TU Delft/QuTech, lopend sinds circa 2015): dispersieve nondemolitie-uitlezing van qubits via microgolfresonatoren is een standaardonderdeel van elke foutcorrectiecyclus, zoals te zien in experimenten met "surface code"-foutcorrectie die Google in 2023 publiceerde in Nature.
• Advanced LIGO (sinds 2019): de zwaartekrachtsgolfdetectoren van LIGO gebruiken ingespoten samengeknepen licht om kwantumruis te onderdrukken, een techniek die direct voortbouwt op de theorie van nondemolitiemetingen uit de jaren tachtig.

Hoe ver is de techniek?

Het theoretische idee stamt uit de jaren zeventig en tachtig, toen natuurkundigen als Vladimir Braginsky en Carlton Caves de grondslagen beschreven voor metingen die de kwantumterugslag (back-action) naar een niet-gemeten grootheid konden afleiden. De eerste overtuigende experimentele demonstraties volgden in de jaren negentig en 2000, vooral in optische en atomaire systemen zoals bij Haroche en Wineland.

Inmiddels is de techniek volwassen genoeg om routinematig gebruikt te worden: vrijwel elk experiment met supraleidende kwantumcomputers van de laatste tien jaar leunt op een vorm van dispersieve nondemolitie-uitlezing. Toch is de uitvoering nog ver van perfect. Metingen zijn in de praktijk nooit volledig nondemolitie: technische ruis, lekverliezen (waarbij een qubit per ongeluk naar een ongewenste energietoestand springt tijdens het uitlezen) en kruiskoppeling tussen qubits blijven reële problemen. Onderzoekers werken voortdurend aan snellere, nauwkeurigere en minder verstorende uitleesschema's, wat direct van invloed is op hoe goed foutcorrectie in grotere kwantumcomputers kan werken.

Bij zwaartekrachtsgolfdetectoren is de inzet van squeezed light operationeel, maar het opschalen naar hogere mate van "samenknijpen" over een breder frequentiebereik is nog actief onderzoek, net als het verder onderdrukken van optische verliezen die de voordelen van squeezing tenietdoen.

Wie werken eraan?

Onderzoek naar kwantum-nondemolitiemetingen is sterk verspreid over academische en industriële centra. In Frankrijk bouwde de groep rond Serge Haroche aan het Collège de France en de École Normale Supérieure de experimentele basis in cavity-kwantumelektrodynamica. In de Verenigde Staten speelden het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder en Yale University (met onderzoekers als Michel Devoret en Robert Schoelkopf, pioniers van circuit-kwantumelektrodynamica) een sleutelrol bij het overbrengen van deze ideeën naar vaste-stofsystemen zoals supraleidende qubits.

In Nederland werkt QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, aan nondemolitie-uitleestechnieken voor zowel supraleidende als spin-qubits, met het oog op schaalbare kwantumfoutcorrectie. Grote technologiebedrijven als Google Quantum AI en IBM Quantum passen de techniek dagelijks toe in hun kwantumprocessors. Op het gebied van precisiemetingen zijn MIT, Caltech en de internationale LIGO-Virgo-KAGRA-samenwerking (met instituten in de VS, Europa en Japan) de drijvende krachten achter het gebruik van kwantumgeoptimaliseerd licht in zwaartekrachtsgolfdetectoren.

Verder lezen

• Nobelprize.org — achtergrond over de Nobelprijs Natuurkunde 2012 voor Haroche en Wineland.
• Nature — vaktijdschrift met oorspronkelijke publicaties over kwantum-nondemolitiemetingen in cavity-QED en supraleidende circuits.
• NIST — Amerikaans standaardinstituut met onderzoek naar precisiemetingen en gevangen-ionentechnieken.
• QuTech — Nederlands onderzoeksinstituut (TU Delft/TNO) voor kwantumtechnologie en foutcorrectie.
• LIGO (Caltech) — informatie over zwaartekrachtsgolfdetectie en het gebruik van kwantumgeoptimaliseerd licht.