Kwantumcomputer weer dichterbij

Kwantumcomputers kunnen enorme hoeveelheden data aanDe wetenschap wacht al sinds de jaren ’80 op De Kwantumcomputer. De ingewikkelde materie laat zich maar langzaam bedwingen. Het laatste nieuws op dit gebied komt uit Delft.

Een kwantumcomputer kan niet alleen enorme hoeveelheden data verwerken, maar ook allerlei interessante verbanden tussen die gegevens blootleggen. Verwacht wordt dat dit tot spectaculaire, nieuwe inzichten zal leiden.

Wetenschappers van het Kavli Institute of Nanoscience (TU Delft) en de Stichting FOM hebben weer een stapje gezet in de richting van zo’n supersnelle kwantumcomputer. Ze zijn erin geslaagd om twee spins, de elementaire bouwstenen van zo’n computer, betrouwbaar uit te lezen.

Spins in een doosje

In de voorbije jaren hebben wetenschappers van de TU Delft grote vorderingen gemaakt bij het onderzoek naar kwantumberekeningen en de kwantumcomputer. Zo kunnen ze één enkel elektron opsluiten in een ‘kwantumdoosje’ (kwantumdot).

De spin van het opgesloten elektron dient als kwantumbit (qubit). Dat is de elementaire bouwsteen van een kwantumcomputer. De spin is, eenvoudig gesteld, de draairichting van het elektron. Draait het elektron de ene kant op, dan is het een spin-up elektron. Draait het de andere kant op, dan heet het een spin-down elektron. Deze draairichtingen representeren de toestand ‘0’ of ‘1’ in een qubit.

Springend elektron verraadt toestand

Het was al langer mogelijk om de spin van één elektron in een qubit uit te lezen. De TU Delft slaagde hier als eerste in. De universiteit was ook de eerste die een enkele spin wist te manipuleren. Nu is een team onderzoekers onder leiding van prof. Lieven Vandersypen van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft er ook als eerste in geslaagd om de toestand van twee spins uit te lezen.

De wetenschappers creëerden twee kwantumdots, met in beide een opgesloten elektron (zie de illustratie onder deze bijdrage). De uitlezing vindt plaats door elk elektron al dan niet uit de dot te laten wegspringen, afhankelijk van zijn spintoestand. Met een ladingsmeter meten de onderzoekers of het elektron wegspringt. Dan weten ze ook meteen wat zijn spintoestand was.

Kwantumtheorie blijkt te kloppen

Dit gebeurt bovendien in één keer (single shot meting). Ieder ‘shot’ geeft de toestand van allebei de spins. Dit is cruciaal om correlaties tussen de twee qubits te kunnen meten. Onderzoeker Katja Nowack: ‘Erg leuk was, dat als we twee spins in een zogeheten verstrengelde toestand brachten, ze steeds tegengestelde uitkomsten gaven. Als de ene down gaf, gaf de andere up, en vice versa. Precies zoals voorspeld door de kwantumtheorie.’

Verstrengeling is een bijzonder kwantummechanisch verschijnsel dat van groot belang is voor kwantuminformatie. Twee verstrengelde spins kunnen niet los van elkaar gezien worden. Hun toestanden zijn met elkaar verbonden, ook als ze zich op grote afstand van elkaar zouden bevinden.

Uitgebreide qubits zijn uit te lezen

Een qubit kunnen uitlezen is leuk, maar je moet er ook mee kunnen rekenen. De Delftse onderzoekers hebben voor het eerst aangetoond dat de zogeheten exchange-gate tussen twee spins werkt. Daarbij duwen ze de spins voor een korte tijd (zo’n 10 nanoseconden) naar elkaar toe. De spins ‘voelen’ dan elkaars invloed en hun spin-toestand wordt deels of geheel uitgewisseld (zie de illustratie onder deze bijdrage).

Tijdens de metingen werd een betrouwbaarheid van 86 % bereikt. Maar volgens de onderzoekers kan dit door technische aanpassingen nog hoger worden. De resultaten suggereren

  • dat het mogelijk is om dubbele (of nog uitgebreidere) qubits uit te lezen en
  • dat dit kan worden gebruikt om twee qubit-gates en correlaties te testen.

Daarmee komt een functionerende kwantumcomputer weer iets dichterbij.

Een dubbele kwantumdot in beeld

Een weergave van een dubbele kwantumdot. Met behulp van metalen elektrodes op een halfgeleidersubstraat kan precies 1 elektron worden opgesloten in elk kwantumdot.

De exchange-gate: rekenen met elektronen

Twee elektronen die dicht bij elkaar gebracht worden, ‘voelen’ elkaars invloed en draaien om elkaar heen. Daardoor wordt de ‘exchange-gate’ uitgevoerd, een elementaire rekenstap voor een kwantumcomputer.

Over Renske Cramer
Ik ben gepensioneerd communicatie- en marketingadviseur. Ik houd me bezig met dingen die nóg leuker zijn dan werken ;-)

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s