Mensen moeten op elke kruising kiezen uit een aantal wegen. Na meerdere kruisingen en keuzes zullen wij slechts enkele van de vele mogelijke paden hebben gebruikt, waarbij sommigen keuzes vaker zijn gemaakt dan andere. Een ‘kwantumwandelaar’ hoeft niet te beslissen. Door superpositie kan hij alle paden gelijktijdig volgen en in bijzondere situaties kan hij, wanneer twee pad elkaar opnieuw kruisen, zichzelf tegenkomen. Onderzoekers hopen via de kwantumtheorie meer inzicht te krijgen in complexe regelalgoritmen voor diverse wetnschappelijke disciplines.
Met een experiment in een elektromagnetische val hebben onderzoekers aan het Max-Planck-Institut für Quantenoptik een duidelijk verschil tussen de klassieke en kwantummechanische odyssee gedemonstreerd. In het experiment speelt een magnesium-ion, vastgehouden in een lineaire elektromagnetische val, de rol van wandelaar. Zijn basisbewegingstoestand is de uitgangspositie voor het zwerven en vanuit deze positie gaat het ion ‘aan de wandel’.
Door de straling van radiopulsen wordt een overlapping van twee elektronische toestanden opgewekt. De noodzakelijke aanzet tot een superpositie voor links- of rechtsaf en de noodzakelijke impuls om zich in beweging te zetten, krijgt het ion van ultraviolet licht met een bepaalde frequentie. Afhankelijk van zijn elektronische toestand wordt het ion in beweging gezet (als een wandelaar die linksaf of rechtsaf gaat). Omdat beide elektronische toestanden zich in een superpositietoestand bevinden, worden ook de beide bewegingsmogelijkheden van het ion gesuperponeerd.
Statistiek
Het proces van positiewisseling wordt drie keer herhaald, dan worden de kwantumeffecten zichtbaar. Aan het eind wordt gekeken in welke positie het ion zich bevindt. Daarbij wordt gebruik gemaakt van het feit dat het ion alleen in de beide superpositietoestanden fluorescerend licht uit zendt. Naar circa duizend metingen krijgen fysici een statistisch overzicht hoe vaak het ion naar rechts of links is gegaan. De data bevestigen de theoretische voorspelling van onregelmatigheid in beide richtingen in tegenstelling tot de klassieke voorspelling.
De onderzoekers hebben met hun experiment, waarbij de zwerver/het ion alle paden tegelijkertijd kon bewandelen, duidelijk het verschil met de klassieke algoritmen aangetoond. De kwantuminterferentie versterkt asymmetrische, niet klassieke verdelingen in de onderling sterk verbonden bewegingstoestanden. Momenteel is het aantal herhalingsstappen nog beperkt door niet-lineaire effecten.
Toepassing
‘Kwantumwandelen’ zou voor een aantal toepassingen van fundamenteel belang kunnen zijn. De snelheid om de juiste weg te kiezen zou onder omstandigheden kunnen stijgen als niet volgens het toevalprincipe het ene na het andere pad moet worden uitprobeerd maar tegelijkertijd alle mogelijkheden kunnen worden bekeken.
De prestaties van zoekalgoritmen in de informatietechnologie kunnen hierdoor worden verbeterd. Ook wordt gedacht, dat dit kwantummechanische gedrag verantwoordelijk is voor de energietransport in planten, die over veel wegen verdeeld effectiever verloopt dan bij de klassieke processen valt te berekenen.
