Rabi-oscillatie: het schommelende hart van de kwantumcomputer

Bijgewerkt: 10 oktober 2026 · 6 min leestijd

Stel je een schommel voor. Geef je op het juiste moment een duwtje, precies synchroon met de beweging van de schommel, dan swingt hij steeds hoger. Duw je op een willekeurig moment, dan gebeurt er weinig. In de kwantumwereld bestaat een vergelijkbaar verschijnsel: als je een atoom, ion of kunstmatig atoom (een qubit, de basiseenheid van een kwantumcomputer) bestraalt met straling van precies de juiste frequentie, dan begint de toestand van dat deeltje heen en weer te 'schommelen' tussen twee mogelijke uitkomsten. Dit op-en-neer gaan heet Rabi-oscillatie, genoemd naar de Amerikaanse natuurkundige Isidor Rabi, die het verschijnsel in 1937 voor het eerst nauwkeurig maat.

Waarom is dit belangrijk genoeg voor een heel artikel? Omdat Rabi-oscillatie het belangrijkste 'stuurwiel' is waarmee natuurkundigen en ingenieurs qubits besturen. Door de straling een exact bepaalde tijd aan te laten staan, duwen ze de toestand van de qubit precies zo ver als ze willen: helemaal om, half om, of ergens daartussenin. Dat is in essentie hoe de rekenstappen (poorten of 'gates') in een kwantumcomputer worden uitgevoerd. Zonder dit mechanisme zou er geen betrouwbare manier zijn om kwantumbits aan te sturen.

Wat is het precies?

Een qubit is, net als een gewone bit, een systeem met twee mogelijke toestanden: meestal 0 en 1 genoemd. Het verschil is dat een qubit dankzij de kwantummechanica ook in een mengvorm van beide toestanden tegelijk kan verkeren — een zogeheten superpositie. Elke toestand hoort bij een bepaald energieniveau van het deeltje, en het verschil tussen die twee energieniveaus komt overeen met een specifieke frequentie: de resonantiefrequentie.

Bestraal je het deeltje met een elektromagnetisch veld — meestal microgolven bij supergeleidende qubits, of laserlicht bij atomen en ionen — dat precies op die resonantiefrequentie is afgestemd, dan gebeurt er iets bijzonders. De kwantumtoestand springt niet willekeurig, maar beweegt gelijkmatig en voorspelbaar heen en weer tussen 0 en 1, als een slinger. De snelheid van die beweging heet de Rabi-frequentie, en die hangt simpelweg af van de sterkte van het veld: een sterker signaal laat de toestand sneller oscilleren.

Natuurkundigen visualiseren dit vaak met de zogeheten Blochbol, een denkbeeldige bol waarop de toestand van de qubit wordt weergegeven als een pijl. Een Rabi-oscillatie is dan een pijl die rond een as van de bol draait. Door de straling precies op het juiste moment uit te zetten, 'bevries' je de pijl in een gewenste stand — exact de operatie die in een kwantumcomputer een rekenstap vormt.

In de praktijk duurt dit alles extreem kort: bij supergeleidende qubits gaat het om nanoseconden, bij ionen soms microseconden. De oscillatie houdt ook niet eeuwig aan: door onvermijdelijke storingen uit de omgeving — trillingen, temperatuurschommelingen, elektromagnetische ruis — dempt de beweging na een tijdje. Die demping bepaalt hoeveel bruikbare bewerkingen je met een qubit kunt uitvoeren voordat informatie verloren gaat, de zogeheten coherentietijd.

Wat wil men ermee bereiken?

Het directe doel van het bestuderen en toepassen van Rabi-oscillatie is controle: natuurkundigen willen de toestand van een qubit of atoom exact zetten waar ze hem willen hebben, op een voorspelbaar en herhaalbaar moment. Dat is de basis van elke rekenoperatie in een kwantumcomputer. Zonder een betrouwbare manier om qubits van 0 naar 1 te draaien, of naar een superpositie daartussenin, is er geen kwantumcomputer mogelijk.

Daarnaast is Rabi-oscillatie een onmisbaar meetinstrument. Door te kijken hoe snel en hoe lang de oscillatie aanhoudt, leiden onderzoekers af hoe sterk hun stuursignaal is, hoe goed een qubit geïsoleerd is van ruis, en hoe lang de coherentietijd is. Vrijwel elk laboratorium dat met qubits werkt, voert dagelijks zogeheten 'Rabi-experimenten' uit, puur om apparatuur te ijken.

Er is ook een oudere, bredere toepassing: dezelfde kwantummechanica ligt aan de basis van technieken als kernspinresonantie (NMR) en MRI-scanners in ziekenhuizen, en van atoomklokken die de preciestijd leveren voor gps-satellieten. Het onderliggende principe — deeltjes met de juiste frequentie laten 'schommelen' tussen energietoestanden — is dus niet alleen relevant voor kwantumcomputers, maar voor een hele familie van meet- en beeldvormingstechnieken.

Voorbeelden uit de praktijk

Isidor Rabi deed zijn oorspronkelijke experiment in 1937 met bundels moleculen die door een magnetisch veld werden gestuurd; hiervoor ontving hij in 1944 de Nobelprijs voor Natuurkunde. Dit werk legde de basis voor alle latere toepassingen van het verschijnsel.

In de jaren veertig bouwden Felix Bloch en Edward Purcell hierop voort en ontwikkelden kernspinresonantie (NMR), de techniek die later de basis vormde voor de MRI-scanner die tegenwoordig in vrijwel elk ziekenhuis staat.

Bij IBM Quantum is het meten van Rabi-oscillaties een standaardstap bij het ijken van de supergeleidende qubits in systemen als IBM Quantum System One en de opvolgers daarvan; onderzoekers gebruiken het dagelijks om de sterkte van microgolfpulsen te bepalen die de rekenpoorten aansturen.

Aan de TU Delft, bij onderzoeksinstituut QuTech, toonde de groep van Lieven Vandersypen en Menno Veldhorst in 2018 snelle Rabi-oscillaties in qubits die bestaan uit een enkel elektron ingevangen in silicium — een stap die van belang is omdat dit materiaal zich mogelijk beter laat opschalen dan andere qubit-types.

Bij het Amerikaanse NIST (National Institute of Standards and Technology) toonde de groep van Nobelprijswinnaar David Wineland al in de jaren negentig Rabi-oscillaties in individuele, in een val gevangen ionen — werk dat mede ten grondslag ligt aan de huidige generatie ionenval-kwantumcomputers van bedrijven als IonQ.

Hoe ver is de techniek?

Rabi-oscillatie zelf is geen nieuwe of speculatieve technologie: het is bijna negentig jaar oude, grondig geteste natuurkunde. Wat voortdurend verbetert, is hoe precies en hoe snel onderzoekers deze oscillaties kunnen opwekken en beheersen in steeds grotere en complexere systemen.

De grootste praktische hobbel is niet het opwekken van de oscillatie, maar het voorkomen dat ze te snel dempt door ruis uit de omgeving. Bij de beste huidige supergeleidende en ionenval-qubits halen onderzoekers nauwkeurigheden (fidelities) van rond de 99,9 procent per enkele operatie — indrukwekkend, maar bij duizenden achtereenvolgende operaties stapelen kleine fouten zich toch op. Technieken als 'dynamical decoupling' (tussentijds bijsturen om ruis uit te middelen) en kwantumfoutcorrectie moeten dit probleem verder verkleinen.

Een tweede uitdaging is opschaling: één qubit precies laten oscilleren is inmiddels routine, maar duizenden of miljoenen qubits tegelijk even nauwkeurig aansturen — zonder dat het stuursignaal voor de ene qubit een naburige qubit verstoort — is een actief onderzoeksgebied en één van de centrale knelpunten op weg naar bruikbare, foutbestendige kwantumcomputers.

Wie werken eraan?

Omdat Rabi-oscillatie een fundamentele bouwsteen is van vrijwel elk qubit-platform, wordt er wereldwijd aan gewerkt, vaak binnen bredere kwantumcomputer- en kwantumsensorprogramma's.

In de Verenigde Staten zijn IBM, Google Quantum AI en Rigetti Computing actief met supergeleidende qubits, terwijl IonQ en onderzoeksgroepen aan de University of Maryland en het nationale meetinstituut NIST zich richten op ionenvallen.

In Nederland is QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, een van de belangrijkste centra, met onderzoek naar zowel supergeleidende als silicium-spinqubits.

In Europa werken ook groepen aan de ETH Zürich (Zwitserland), diverse Duitse universiteiten en onderzoeksinstituten, en de Franse onderzoeksinstelling CEA aan verwante qubit-technologieën. In Azië investeert China fors in dit vakgebied, onder meer via de University of Science and Technology of China (USTC), bekend van grootschalige experimenten met supergeleidende en fotonische qubits.

Daarnaast gebruiken talloze universitaire natuurkunde- en scheikundelaboratoria wereldwijd Rabi-oscillatie-experimenten simpelweg als standaardgereedschap, los van de race om de kwantumcomputer — bijvoorbeeld in NMR- en ESR-spectroscopie, technieken om moleculaire structuren te bepalen.