Onderzoekers van de TU Delft hebben een quantumcircuit gemaakt dat hen in staat stelt te luisteren naar het zwakste radiosignaal dat de quantummechanica toelaat. Dit nieuwe quantumcircuit kan leiden tot toekomstige toepassingen op gebieden als radioastronomie en geneeskunde (MRI). Het stelt onderzoekers ook in staat om experimenten te doen die licht kunnen werpen op de wisselwerking tussen quantummechanica en de zwaartekracht.

Iedereen heeft zich al wel eens geërgerd aan zwakke radiosignalen. Onze favoriete song in de auto verandert in ruis, of we zijn te ver weg van onze WiFi-router om onze mail te checken. De gebruikelijke oplossing is om het signaal sterker te maken, bijvoorbeeld door een ander radiostation te kiezen of door naar een kamer dichter bij de router te verhuizen. Maar wat als we gewoon beter zouden kunnen luisteren?

Kwantumsprong

Zwakke radiosignalen zijn niet alleen een uitdaging voor mensen die hun favoriete radiostation proberen te vinden, maar ook voor MRI-scanners in ziekenhuizen en voor de radiotelescopen die wetenschappers gebruiken om signalen uit de ruimte op te vangen.

In een ‘kwantumsprong’ op het gebied van het detecteren van signalen hebben onderzoekers in de groep van professor Gary Steele in Delft nu fotonen of ‘quanta’ van energie gedetecteerd. Dat zijn de zwakste signalen die de theorie van de quantummechanica toelaat.

Kwantumbrokken

Een van de vreemde voorspellingen van de kwantummechanica is dat energie in kleine brokjes komt. Die brokjes worden ‘kwanta’ genoemd. Wat betekent dit? ‘Stel dat ik een kind op een schommel een duwtje geef”, zegt hoofdonderzoeker Mario Gely. “Als ik wil dat het kind een beetje sneller gaat, kan ik haar volgens de klassieke natuurkunde een klein duwtje in de rug geven, waardoor ze iets meer snelheid en energie krijgt. Maar de quantummechanica zegt iets anders: ik kan de energie van het kind slechts één ‘kwantumstap’ tegelijk verhogen. De helft van die hoeveelheid is niet mogelijk.”

Voor een kind op een schommel zijn deze ‘kwantumstappen’ te klein om op te merken. En tot voor kort gold hetzelfde voor radiogolven. Het Delftse onderzoeksteam heeft nu echter een ‘quantumcircuit’ ontwikkeld dat deze energiekwanta daadwerkelijk kan detecteren in radiosignalen, wat het mogelijk maakt om radiogolven op quantumniveau te detecteren.

Kwantumzwaartekracht?

Naast toepassingen in kwantumdetectie willen de onderzoekers de kwantummechanica nu naar een volgend niveau tillen: massa. Ook al is de theorie van kwantummechanica bijna 100 jaar geleden ontwikkeld, natuurkundigen weten vandaag de dag nog steeds niet hoe ze zwaartekracht met de kwantummechanica moeten verenigen.

“Met behulp van onze kwantumradio willen we niet alleen luisteren naar kwantumtrillingen van zware objecten maar ze ook beheersen, zodat we experimenteel kunnen onderzoeken wat er gebeurt als je kwantummechanica en zwaartekracht mengt”, zegt Gely. “Dergelijke experimenten zijn erg ingewikkeld, maar als het ons lukt zouden we een kwantumsuperpositie van ruimte-tijd kunnen proberen te maken. Dat is een compleet nieuw concept dat ons begrip van zowel kwantummechanica als algemene relativiteit zou testen.”

Het ondezoek is gepubliceerd in Science.

Bron:  TU Delft