Steele lab ontwikkelt quantumradio

Wie geboren is in de analoge wereld, weet wellicht dat een radio in zijn simpelste vorm bestaat uit een spoel, een condensator (een LC-circuit) en een diode. Verbind een oortelefoontje over de diode en je hoort Radio Moskou.

Het circuit dat promovendus Mario Gely ontwikkelde in het lab van prof.dr. Gary Steele (Technische Natuurwetenschappen) combineert twee van die LC-circuits. Een is afgestemd op de MHz band (zoals een FM-radio), de ander op de GHz band met een quantumbit als diode.

Het kostte Gely acht maanden om alle componenten bijeen te krijgen op een chip van een vierkante centimeter. In feite bevat de chip vier dubbele circuits en een boel reserveonderdelen. Je weet immers maar nooit of het werkt.

De probefrequentie verandert naarmate er meer quanta binnenkomen. (Illustratie: Steele Lab)

Zorgvuldig afgeschermd van de rumoerige buitenwereld, en afgekoeld tot cryogene omstandigheden, verandert de resonantiefrequentie van het qubit stapsgewijs met elk MHz-quantum dat de antennes bereikte.

“Door naar het quantumbit te luisteren, kun je het aantal MHz quanta tellen”, aldus een enthousiate dr. Steele. Dit was de eerste keer dat iemand, bijna als bijvangst, het quantumkarakter van radiogolven had aangetoond.

Maar waarom is het circuit ontwikkeld? Dat hangt samen met een stemvorm op nanoschaal die de onderzoeksgroep gebruikt om quantisatie van mechanische beweging te bestuderen. Dat is immers Steele’s zelfgeformuleerde missie: het verkennen van de randen van de quantumfysica. De stemvork is 100 nanometer dun en trilt met een amplitude zo klein als een proton (10^-15 meter) en een eigenfrequentie in het MHz-domein.

De mechanische trillingen van het staafje worden omgezet in elektrische trillingen, maar het signaal is naar verwachting bijzonder klein. Dus werd de ultra-gevoelige MHz-ontvanger ontwikkeld als gereedschap om mechanische trillingen te kunnen meten.

Maar zoals zo vaak met fundamenteel onderzoek zijn er ook dit keer weer praktische toepassingen te bedenken. Ultragevoelige MHz-ontvangers zijn gewild in medische MRI-scanners en in de radioastronomie.

Steele denkt dat hun frisse benadering (twee LC-circuits in elkaar bouwen), samen met de demonstratie van het quantumkarakter van radiogolven de beoordelaars ervan overtuigd heeft dat het stuk een plek verdient in het prestigieuze blad.

• Mario F. Gely, Marios Kounalakis, Christian Dickel, Jacob Dalle, Rémy Vatré, Brian Baker, Mark D. Jenkins, Gary A. Steele, Observation and stabilization of photonic Fock states in a hot radio-frequency resonator, Science, 7 March 2019