Een groep merendeels Australische onderzoekers heeft laten zien dat ze de kwantumbits oftewel qubits waarmee zo’n computer rekent, naar believen kunnen manipuleren, dat wil zeggen: ze kunnen het met één qubit tegelijk. Het is de mijlpaal naar de volgende stap, de samenwerking van meerdere qubits die nodig is voor het doen van echte kwantumberekeningen.
Het is al een tijdje een belofte: de kwantumcomputer, die sommige berekeningen veel sneller kan uitvoeren dan een gewone computer. Een nogal exotische variant, de Kane-kwantumcomputer, is onlangs een stap dichter bij realisatie gekomen.
Bruce Kane, een fysicus die destijds in Australië werkte, stelde in 1998 voor om de kernspin te gebruiken van een atoom in een kristal. De Australische onderzoeksgemeenschap besloot er vervolgens vol op in te zetten, met voorbijgaan aan andere manieren om qubits te maken die al veel verder waren ontwikkeld. ‘Ik dacht toen: wat een onzin’, geeft de nog actieve emeritus prof.dr.ir. Hans Mooij van het gerenommeerde Kavli Institute for Nanoscience van de TU Delft toe. ‘Dat ze nu toch zo ver zijn, vind ik wel erg leuk.’
De Kane-qubit bestaat uit een fosoforatoom in een siliciumkristal. De kern van het fosforatoom heeft van nature een klein magnetisch moment oftewel ‘spin’, dat in een willekeurige richting kan staan. De onderzoekers koelden het kristal tot dicht bij het absolute nulpunt en brachten het in een sterk, constant magneetveld. De spin van de fosforkern heeft dan nog maar twee mogelijke richtingen: die van het veld (qubitwaarde 1) en de tegengestelde richting (0). Volgens de wetten van de kwantummechanica sluiten de waarden 1 en 0 elkaar niet uit, maar kunnen ze ook tegelijk voorkomen – dat is het verschil met een klassieke bit.
Aan zichzelf overgelaten springt de kern snel naar de 0-toestand, aangezien die de laagste energie heeft. De doorbraak die de onderzoekers hebben geboekt is dat ze het mechanisme om naar de ‘1’ te schakelen aan de gang hebben gekregen. Ze gebruiken daarvoor een tweede magneetveld, dat niet constant is maar in een hoog tempo schommelt. De onderzoekers kunnen naar believen regelen of de fosforkern met dat veld meetrilt, en wel door het voltage aan te passen van een aluminium elektrode (‘gate’) die ze op het siliciumkristal hebben bevestigd. Zo gauw de kern begint met meetrillen, neemt hij energie op en gaat daardoor naar de 1-toestand over.
Met dit resultaat ligt de Kane-qubit nog steeds een eind achter op veel andere soorten qubits, maar hij heeft wel een belangrijk voordeel: hij is weinig gevoelig voor ‘decoherentie’. Dat is het grote schrikbeeld van bouwers van kwantumcomputers, waarbij er een abrupt einde komt aan elke berekening doordat de kwetsbare kwantumtoestand verstoord raakt. Ook voorspellen de onderzoekers dat het relatief gemakkelijk wordt om systemen van veel gekoppelde qubits te maken. ‘Maar dat dat in theorie zo is, betekent vooral dat ze de praktische problemen ervan nog moeten ontdekken’, becommentarieert Mooij. De Australiërs mogen nu dus laten zien dat ze die problemen de baas kunnen.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.