Rydberg-toestand: het opgeblazen atoom achter nieuwe kwantumtechnologie
Een Rydberg-toestand is een toestand waarin een atoom veel groter is dan normaal, omdat één van zijn elektronen extreem ver van de kern af cirkelt. Normaal gesproken zit een elektron dicht tegen de atoomkern aan, maar in een Rydberg-atoom is het met laserlicht naar een baan geduwd die honderden keren verder weg ligt. Het atoom zwelt daardoor letterlijk op: waar een gewoon atoom ongeveer een tiende nanometer groot is, kan een Rydberg-atoom uitgroeien tot de omvang van een bacterie.
Een handige vergelijking is ons zonnestelsel. Stel dat de atoomkern de zon is en het elektron normaal op de plek van Mercurius draait, vlak bij de zon. In een Rydberg-toestand wordt datzelfde elektron naar een baan ver voorbij Pluto geschoten. Het blijft aan de kern gebonden, maar de afstand is zo groot dat het atoom extreem gevoelig wordt voor zijn omgeving en heel anders reageert op elektrische velden en op andere atomen in de buurt. Precies die overgevoeligheid maakt Rydberg-atomen bruikbaar: onderzoekers gebruiken ze als bouwsteen voor nieuwe soorten kwantumcomputers en als ultragevoelige sensoren.
Wat is het precies?
In een gewoon atoom bewegen elektronen in vaste "schillen" rond de kern. Welke schil een elektron bezet, wordt aangegeven met het hoofdquantumgetal n: hoe hoger n, hoe verder het elektron van de kern af zit en hoe hoger de energie. In de grondtoestand, de normale rusttoestand van een atoom, heeft het buitenste elektron een lage waarde van n, meestal 1 tot 5.
Met een precies afgestemde laser kan dat elektron worden "opgetild" naar een veel hogere schil, bijvoorbeeld n=50 tot n=100. Het atoom bevindt zich dan in een Rydberg-toestand, genoemd naar de Zweedse natuurkundige Johannes Rydberg, die rond 1890 de wiskundige formule vond die de energieniveaus van atomen beschrijft. Omdat de afstand tussen elektron en kern ongeveer kwadratisch meegroeit met n, wordt het atoom bij n=100 zo'n tienduizend keer groter dan normaal.
Voor dit soort experimenten gebruikt men meestal alkalimetalen zoals rubidium of cesium, omdat die één losse buitenste elektron hebben dat relatief makkelijk naar een hoge toestand te tillen is. De atomen worden eerst met laserlicht afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, zodat ze nagenoeg stilstaan, en vervolgens vastgehouden met sterk gefocust laserlicht: een zogeheten optische pincet (optical tweezer). Zo kunnen onderzoekers individuele atomen op een rij of in een rooster zetten, alsof je met licht piepkleine balletjes op hun plek houdt.
Het bijzondere gebeurt wanneer twee Rydberg-atomen dicht bij elkaar staan. Doordat hun opgeblazen elektronenwolken elkaar sterk beïnvloeden, kan niet allebei tegelijk in de Rydberg-toestand blijven: als het ene atoom wordt aangeslagen, verschuift de energie van het buuratoom net genoeg om dezelfde excitatie daar te blokkeren. Dit heet de Rydberg-blokkade. Door dit effect slim te benutten, kunnen twee atomen met elkaar "communiceren" zonder fysiek contact, wat onderzoekers gebruiken om twee-qubit poorten te maken: de basisbewerkingen waarmee kwantumbits (qubits) met elkaar verstrengeld raken in een kwantumcomputer.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het bouwen van schaalbare neutral-atom kwantumcomputers: machines die met tientallen tot duizenden individuele, neutrale atomen als qubits rekenen. Optische pincetten maken het relatief eenvoudig om grote, herconfigureerbare roosters van atomen te maken, en de Rydberg-blokkade levert de verstrengeling die nodig is om kwantumalgoritmes uit te voeren. Dat is aantrekkelijk omdat andere qubit-technologieën, zoals supergeleidende chips, vaak lastiger op te schalen zijn.
Een tweede doel is kwantumsimulatie: met arrays van Rydberg-atomen kunnen natuurkundigen complexe kwantumsystemen nabootsen, zoals magnetisme of exotische faseovergangen in materialen, die met klassieke computers vrijwel onmogelijk te berekenen zijn. In plaats van een universele computer te bouwen, gebruikt men het atoomrooster dan als een soort analoge simulatiemachine voor een specifiek probleem.
Een derde, praktischer doel is het maken van extreem gevoelige sensoren voor elektrische velden en radiogolven. Omdat Rydberg-atomen zo groot en gevoelig zijn, reageren ze meetbaar op zeer zwakke elektromagnetische velden. Dat opent de deur naar detectoren die in potentie gevoeliger en compacter zijn dan klassieke antennes, met toepassingen in telecommunicatie en precisiemetingen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Lukin-lab aan Harvard University publiceerde in 2021 in het tijdschrift Nature een veelbesproken studie, "Quantum phases of matter on a 256-atom programmable quantum simulator", waarin een programmeerbaar rooster van 256 Rydberg-atomen werd gebruikt om verschillende magnetische fasetoestanden te simuleren.
Dat onderzoek vormde mede de basis voor QuEra Computing, een spin-off van Harvard en MIT, die met haar systeem Aquila sinds eind 2022 een 256-qubit neutral-atom kwantumcomputer toegankelijk maakt via de cloud, onder meer via Amazon Braket.
Eind 2023 volgde een volgende mijlpaal: QuEra, Harvard en MIT toonden in een Nature-publicatie (Bluvstein e.a., "Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays") aan dat je met Rydberg-atoomarrays zogeheten logische qubits kunt maken, waarbij meerdere fysieke atomen samen één foutbestendige qubit vormen; ze demonstreerden dit met 48 logische qubits.
In Frankrijk werkt Pasqal aan vergelijkbare technologie. Het bedrijf is in 2019 opgericht als spin-off van het Institut d'Optique en het CNRS, mede door natuurkundigen Alain Aspect en Antoine Browaeys, en bouwt Rydberg-atoom kwantumsimulatoren en -computers voor onderzoek en industriële toepassingen.
Ook buiten Rydberg-computing zelf wordt aan verwante toepassingen gewerkt: onderzoekers bij onder meer NIST en Amerikaanse defensielaboratoria, en spin-offs zoals Rydberg Technologies (voortgekomen uit onderzoek aan de University of Michigan), ontwikkelen Rydberg-atoom gebaseerde ontvangers die radiosignalen kunnen detecteren als mogelijk alternatief voor klassieke antennes.
Hoe ver is de techniek?
Neutral-atom kwantumcomputers op basis van Rydberg-toestanden bevinden zich nog in een vroege, snel ontwikkelende onderzoeksfase. Het aantal atomen dat betrouwbaar te controleren is, is de afgelopen jaren gegroeid van tientallen naar honderden, en verschillende groepen werken aan systemen met duizenden atomen.
De betrouwbaarheid van individuele rekenstappen (de zogeheten gate-fidelity) verbetert gestaag, maar is nog niet foutvrij. Foutcorrectietechnieken zoals gedemonstreerd door QuEra en Harvard eind 2023 zijn belangrijke stappen, maar een volledig foutbestendige, grootschalige kwantumcomputer bestaat nog niet. Belangrijke technische obstakels zijn atoomverlies (atomen die uit de val ontsnappen), decoherentie (het geleidelijk verdwijnen van de kwantumtoestand door verstoring van buitenaf) en het snel en nauwkeurig herpositioneren van grote aantallen atomen.
Rydberg-sensoren voor elektrische velden staan dichter bij praktijkrijpheid dan volwaardige kwantumcomputers: er bestaan al werkende laboratoriumprototypes die radiosignalen kunnen meten, maar commerciële, op grote schaal ingezette producten zijn er nog niet. Hoe snel deze technieken buiten het laboratorium bruikbaar worden, is onzeker; concrete tijdlijnen van onderzoekers en bedrijven moeten met de nodige voorzichtigheid worden gelezen.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn QuEra Computing (Boston, spin-off van Harvard en MIT), Atom Computing en Infleqtion (voorheen ColdQuanta, Colorado) de bekendste bedrijven op het gebied van neutral-atom kwantumcomputing. Atom Computing kondigde in oktober 2023 een systeem met meer dan duizend qubits aan, wat destijds een van de grootste aantallen qubits in de sector was.
Academisch onderzoek wordt onder meer geleid door het Lukin-lab aan Harvard University, aangevuld met werk aan MIT en Caltech. Voor de sensortoepassingen spelen het Amerikaanse standaardeninstituut NIST en Amerikaanse defensieonderzoeksinstellingen een rol, samen met spin-offs zoals Rydberg Technologies.
In Frankrijk vormen het CNRS en het Institut d'Optique de wetenschappelijke basis achter Pasqal. In Duitsland doet onder meer het Max Planck Institute for Quantum Optics fundamenteel onderzoek naar Rydberg-fysica. Ook in China, bijvoorbeeld aan de University of Science and Technology of China (USTC), lopen actieve onderzoeksprogramma's naar Rydberg-atomen voor kwantumsimulatie. Over de hele linie zijn vooral de VS, Frankrijk, Duitsland en China de landen waar het meeste onderzoek en de meeste investeringen in deze technologie plaatsvinden.