Supersnel rekenen met diamant

« vorig artikel | inhoud | volgend artikel »

Rubriek: Wetenschap
» artikel als pdf

Vier quantumbits in een stukje diamant, die naar wens getold, geflipt en met elkaar verstrengeld kunnen worden; met deze krachttoer brengen Delftse onderzoekers de quantumcomputer een stap dichterbij.
Tomas van Dijk

In een laserstraal opgesloten atomen, supergeleidende ringetjes, koolstof nanobuisjes; een heel scala aan mogelijke bouwsteentjes voor de quantumcomputer – de supersnel rekenende computer van de toekomst – is door de jaren heen de revue gepasseerd.
Door hun kneedbare quantumtoestanden, zoals spin, spanning, stroomrichting of polarisatie kunnen deze deeltjes als informatiedragers (bits) dienen; bits met buitengewone eigenschappen. Een ‘quantumbit’ hoeft niet te kiezen tussen twee toestanden zoals de transistortjes van onze huidige computers met hun nullen en enen. De quantumbit kan allerlei toestanden tegelijk aannemen.
In de wondere wereld van de quantummechanica kunnen elektronen bijvoorbeeld tegelijkertijd zowel rechtsom als linksom draaien. De combinaties – een beetje rechts en veel links, of net andersom – zijn eindeloos, en dat maakt het in theorie mogelijk dat bepaalde berekeningen heel snel uitgevoerd kunnen worden.
Maar de vorderingen gaan stapje voor stapje. Dan weer is het gelukt om het schakelaartje van de quantumcomputer een milliseconde in plaats van een microseconde in een stabiele positie te houden. Dan weer lukt het om de quantummechanische toestand ervan via een omweg uit te lezen waardoor het niet verstoord raakt.
Al meer dan tien jaar volgen persberichten hierover elkaar op. Telkens luidt de boodschap dat de quantumcomputer weer een stap dichterbij is gekomen. Maar zal die computer ooit echt het licht zien? Dr. Ronald Hanson van het Kavli Instituut voor Nanowetenschappen moet lachen wanneer hem deze vraag wordt gesteld. Volgens hem gaan de ontwikkelingen heel snel. “Tien jaar geleden konden we nog niets. En kijk nu eens naar ons, hoe we atomen en elektronen draaien en manipuleren. Wanneer ik mijn vrienden hierover vertel, zijn ze verbijsterd.” Hanson heeft goede hoop dat de toekomstige quantumcomputer van diamant zal zijn.
Quantumtoestanden zijn moeilijk te meten, onder meer doordat ze overstemd worden door ruis uit de omgeving, zoals naburige atomen die ook allemaal trillen en draaien. Het meeste onderzoek naar quantumverschijnselen vindt daarom plaats bij extreem lage temperatuur. Maar een computer die vlak boven het absolute nulpunt moet functioneren, lijkt niet erg praktisch.

Kamertemperatuur

In diamant blijken quantumbits echter heel stabiel. Hanson en zijn collega’s werken al jaren aan quantumbits in diamanten chips. Sommige experimenten doen ze gewoon bij kamertemperatuur.
Onlangs slaagden de onderzoekers erin om een ‘mini-quantumcomputer’ – een computer bestaande uit vier quantumbits – zeer nauwkeurig uit te lezen. Het was een doorbraak waar ze afgelopen september over publiceerden in ‘Nature’ (eerste auteur Lucio Robledo).
De Delftenaren werken met synthetisch diamant waarin hier en daar stikstofatomen zitten. Tegenover elk stikstofatoom ontstaat een open plekje, een putje, in het atoomrooster van het diamant met daarin een elektron.
Het gevangen elektron is een van de vier quantumbits. De drie andere quantumbits zijn het stikstofatoom zelf en twee naburige koolstofisotopen 13C.
De atoomkernen vormen zeer stabiele quantumbits omdat ze nauwelijks wisselwerken met hun omgeving. Het grootste deel van het diamant bestaat namelijk uit koolstofisotopen 12C en die hebben geen spin. Dit maakt diamant geschikt materiaal voor een quantumcomputer die bij kamertemperatuur werkt.
Voor het uitlezen van de atomen moesten de onderzoekers een hele trukendoos openen. “Atomen voelen relatief weinig van de magnetische ruis uit de omgeving omdat ze zelf een vrij klein magnetisch moment hebben”, legt Hanson uit. “Dat maakt ze stabiel, maar ook moeilijk uit te lezen. Elektronen hebben een veel groter magnetisch moment. Voor het uitlezen van atomen dient je apparatuur duizend maal nauwkeuriger te zijn dan voor het uitlezen van elektronen. We besloten daarom een omweg te nemen en gebruik te maken van het elektron dat in de put zit.”
De wetenschappers gebruiken het gevangen elektron dus als tussenstation van de meting. Ze voeren eerst een zogenaamde quantum-operatie uit. Het elektron komt dan in een verstrengelde toestand met de atoomkernen, waardoor informatie van de atoomkernen overgaat op het elektron. Vervolgens lezen zij de toestand van het elektron uit en herleiden daaruit de oorspronkelijke staat van de atoomkernen.
Voor het uitlezen van het elektron schieten de onderzoekers laserpulsen van nauwkeurig ingestelde golflengtes op het elektron af. Dit doen ze acht keer. Het elektron kan namelijk acht verschillende draaisnelheden hebben aangenomen, afhankelijk van de spintoestanden van de atoomkernen waarmee het verstrengeld is geraakt.
Bij slechts een van de acht pulsen zal het elektron een foton absorberen. Als hij dat doet, zendt hij even later ook weer een foton uit, en dat kan gedetecteerd worden. Hanson: “In feite stellen we het elektron acht keer een vraag over zijn toestand die het met ja of nee kan beantwoorden.”

Ruis

 Deze meettechniek is bijzonder omdat die de toestand van de atoomkernen niet verandert. De methode is ook geschikt om atoomkernen klaar te zetten voor verdere berekeningen. Overigens hebben de onderzoekers dit experiment niet bij kamertemperatuur gedaan, maar bij 10 Kelvin. In tegenstelling tot de atomaire quantumbits zijn de elektronen namelijk wel heel gevoelig voor ruis. “
Als we het elektron de vraag stellen ‘ben je in deze bepaalde toestand, ja of nee?’ dan krijgen we bij kamertemperatuur een onduidelijk antwoord”, vertelt Hanson. “We kunnen dit probleem waarschijnlijk nog wel oplossen door de vraag honderd maal te stellen en vervolgens de antwoorden uit te middelen.”
Dat dit statistische trucje de quantumcomputer langzamer maakt, deert Hanson niet. “Met quantumbits kun je berekeningen zoveel efficiënter uitvoeren dan met normale bits, dat we het altijd wel winnen van een klassieke computer.”
De echt grote uitdaging die nog resteert, aldus Hanson, is het eindeloos in leven houden van quantumbits door middel van een soort zelf corrigerend mechanisme in de chip. Door quantumbits bloot te stellen aan microgolven slaagde het team van Hanson er enkele jaren geleden al in om quantumbits een milliseconde in plaats van een microseconde in een stabiele positie te houden, een doorbraak die goed was voor een ‘Science’-publicatie. “Van microseconde naar milliseconde, dat is als het verschil tussen dag en nacht.”
“De heilige graal is het eeuwig in leven houden van qubits door middel van quantum error correction”, vervolgt Hanson. Bij die techniek wordt informatie, die in feite door slechts één quantumbit gedragen kan worden, versleuteld in meerdere bits. Als een van die bits tijdens een berekening een afwijkende toestand aanneemt, dan kun je dit met een slimme uitleesmethode detecteren, zonder de toestanden van de bits uit te lezen (dat zou de berekening verstoren). Een afwijkend bit kan door middel van microgolven terug in het gareel gebracht worden.
“Als we quantum error correction gereed hebben, dan is ons werk aan de quantumcomputer wel klaar. Dan gaan we werken aan quantumverstrengeling op afstand, ofwel teleportatie.”

Lucio Robledo, Lilian Childress, Hannes Bernien, Bas Hensen, Paul Alkemade & Ronald Hanson. DOI 10.1038/nature10401