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. De resultaten zijn gepubliceerd in Science.

Iedereen heeft zich in zijn leven weleens geërgerd aan zwakke radiosignalen. Ons favoriete liedje 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 de andere kant van de woonkamer te verhuizen. Maar wat als we gewoon beter zouden kunnen luisteren?

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 telescopen die wetenschappers gebruiken om signalen uit de ruimte op te vangen.

In een ‘quantumsprong' in radiofrequentiedetectie hebben onderzoekers in de groep van Prof. Gary Steele in Delft nu fotonen of ‘quanta’ van energie gedetecteerd. Dat zijn de zwakste signalen die de theorie van de quantummechanica toelaat

Quantumbrokken

Een van de vreemde voorspellingen van de quantummechanica is dat energie in kleine brokjes komt. Die brokjes worden 'quanta' genoemd. Wat betekent dit? "Stel dat ik een kind op een schommel duw", 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 'quantumstap' tegelijk verhogen. De helft van die hoeveelheid is niet mogelijk.”

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

Met deze quantumchip (1x1 cm) kunnen de onderzoekers luisteren naar het zwakste radiosignaal dat de quantummechanica toelaat.

Van quantumradio naar quantumzwaartekracht?

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

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

Meer informatie

Prof. Gary Steele

Meer informatie

Jerwin de Graaf (press officer TU Delft)

/* */