Om complexe materie en problemen beter te begrijpen willen onderzoekers niet alleen modellen gebruiken, maar ook kwantitatieve oplossingen zoeken met wiskunde. Op supercomputers kom je dan een heel eind, maar daar loop je op een gegeven moment tegen de limieten van je rekenkracht aan. ‘Veel van de complexe natuurkundige problemen zijn gegrond in de kwantummechanica’, vertelt Etienne Walraven, PhD-student aan de Radbouduniversiteit Nijmegen. ‘Het zou dan een logische stap zijn om kwantumcomputers voor dat soort problemen te gebruiken, aangezien die op dezelfde principes rusten.’

Smaken

Hoewel de kwantumcomputer zelf nog ver weg is, zijn onderzoekers al flink bezig om het zo snel mogelijk te realiseren. ‘Er zijn veel smaken van kwantumcomputers’, legt Walraven uit, ‘maar één mogelijkheid is het opbouwen van een grid van atomen of moleculen.’ Op het moment moet het veld nog de efficiëntie vinden om zo’n grid op te bouwen en te laden. ‘Zodra we dát kunnen, zou je kwantumberekeningen kunnen gaan doen.’ Walraven en zijn begeleider Tijs Karman zochten met computationele chemie uit hoe je zo’n grid goed kunt vullen en publiceerden hun resultaten in Physical Review A en in Physical Review Letters.

‘Zo’n grid maak je met zogenoemde optical tweezers’, zegt Walraven. ‘Dat is een laser die je meerdere malen splitst in heel veel kleinere lasers, die je allemaal individueel kunt bewegen.’ Atomen en moleculen voelen een bepaalde aantrekking tot die lasers en gaan erin zitten, maar in theorie resulteert dat in een grid dat op willekeurige wijze voor slechts 50% gevuld is, wat in de praktijk zelfs nog wat lager uitpakt. ‘Je hebt een vol grid nodig als je iets wilt kunnen doen, dus moet je al die lasers handmatig verplaatsen zodat alle moleculen netjes naast elkaar zitten en dat kost heel veel tijd.’

Limiet

Een bijkomend nadeel is dat de moleculen uiteindelijk kapot gaan door botsingen met andere moleculen en door hun eindige levensduur. Walraven: ‘Het zet dus een limiet op hoe groot je het grid kunt maken. Dus als het efficiënter zou kunnen, dan zou je dit veld flink vooruit helpen.’ Veel onderzoeksgroepen proberen het ‘sorteerproces’ daarom te versnellen door de algoritmiek rondom die lasers te verbeteren, maar Walraven en Karman benaderden dit probleem vanaf de andere kant.

‘We waren al bijna twee jaar bezig met het efficiënter proberen te vullen van de optical tweezers, maar we hadden ondanks meerdere voorstellen nog geen succes’, vertelt Walraven. ‘Toen ik vorig jaar terugkwam van zomervakantie, zei Tijs dat hij wat bijzonders had gezien. Door onze moleculen in verschillende rotatietoestanden te zetten, vernietigen ze elkaar niet zodra ze botsen. We verbaasden ons dat we dit niet in de literatuur terug konden vinden, dus toen ben ik dat verder uit gaan zoeken.’

Als je moleculen extreem koud maakt – denk een paar miljardsten boven het absolute nulpunt – dan overheerst de kwantummechanica. Je kunt moleculen dan met microgolfstraling in een bepaalde kwantumtoestand brengen, bijvoorbeeld een specifieke rotatie. ‘Het is deels bekend wat er gebeurt als moleculen in die toestanden botsen’, zegt Walraven. ‘Bevinden ze zich in dezelfde toestand, dan hebben ze aantrekkende vanderwaalsinteracties. Verschillen twee moleculen met één toestand, dan hebben ze een nog grotere aantrekking door dipool-dipoolinteracties. Die aantrekking zorgt er ook voor dat ze uit het grid knallen. Maar maak je het verschil groter, dus twee kwanta, dan blijken ze elkaar opeens af te stoten!’

Hoop

Die afstotende interactie zorgt ervoor dat als een molecuul in het grid van de optical tweezers belandt, stabiel blijft als er een molecuul in een andere kwantumtoestand op botst. Walraven: ‘Met dit gegeven kun je verschillende kanten op, omdat het gaat om écht nieuwe, stabiele interacties.’ Een van de toepassingen is dus het efficiënter vullen van de tweezers. ‘In onze andere paper laten we zien dat we de theoretische vulefficiëntie van vijftig naar tachtig procent kunnen verhogen. Dat niemand anders hier naar heeft gekeken, snappen we echt niet. Het voelt als een tekstboekidee, iets dat al lang en breed bekend had moeten zijn.’

Hoewel dit werk puur theoretisch was, is er zeker hoop voor de praktijk. ‘Samen met Michael Tarbutt van Imperial College London keken we naar of onze theoretische methode ook praktisch haalbaar zou zijn en ook hij was positief’, zegt Walraven. ‘Nu is de hoop dat experimentatoren dit op gaan pakken en meer mensen zo’n grid proberen te vullen.’ De kwantumcomputer komt zodoende steeds dichterbij.

Walraven, E.F., Tarbutt, M.R. en Karman, T. (2024) Phys. Rev. Lett. 132(18), DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.1834

Walraven, E.F. en Karman, T. (2024) Phys. Rev. A 109(4), DOI: 10.1103/PhysRevA.109.043310