Delftse onderzoekers hebben qubits ontwikkeld die hun toestand kunnen omgooien terwijl ze naar een andere plek springen. Deze salto’s van quantumcomputer-bouwstenen kunnen de aansturing gemakkelijker maken.
Tijdens experimenteel onderzoek naar manieren om quantuminformatie door een circuit te verplaatsen, zag een Delftse onderzoeksgroep onder leiding van Menno Veldhorst iets onverwachts. Terwijl een qubit (een eenheid van quantuminformatie) van de ene naar de andere plek sprong, draaide de informatie soms om. Het was alsof de qubit tijdens zijn sprongetje een salto maakte.
Dat klinkt alsof het onhandig is, maar deze eigenschap kan efficiënte aansturing van quantumcomputers juist mogelijk maken. Het betekent namelijk dat je tegelijkertijd informatie kunt verplaatsen en bewerken. Je kunt dan berekeningen doen met qubits terwijl ze door een quantumcomputer bewegen. De resultaten van het Delftse onderzoek verschenen in de vakbladen Science en Nature Communications.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Quantumkooitjes
Qubits zijn de bouwstenen van toekomstige quantumcomputers. In tegenstelling tot gewone computers, waarin bits een waarde van 1 of 0 hebben, kunnen de qubits door hun quantumeigenschappen een combinatie van 1 en 0 zijn. Er bestaan verschillende soorten qubits.
De qubits waar de Delftse onderzoeksgroep mee werkt zijn zogeheten quantumdots, piepkleine objectjes van ongeveer een duizendste van de doorsnede van een mensenhaar. ‘Quantumdots zijn recent bekend geworden dankzij de Nobelprijs voor Scheikunde van afgelopen jaar’, vertelt quantumonderzoeker Francesco Borsoi van het Delftse onderzoeksinstituut QuTech. ‘Maar wij werken met een andere versie. Onze quantumdots bestaan uit elektrische velden die opgewekt worden op halfgeleidende materialen via zogeheten poortelektroden. Dit is vergelijkbaar met de manier waarop klassieke transistoren werken, die de bekende computerbits vormen.’
De quantumdots dienen als een soort minuscule kooitjes waarin bijvoorbeeld een enkel elektron wordt gevangen. Elektronen kunnen dienst doen als qubit dankzij de quantumeigenschap spin. Dit kun je je voorstellen als een pijltje dat omhoog of naar beneden kan wijzen: spin-up of spin-down. Die twee toestanden kun je de waarden 1 en 0 toekennen. Omdat het een quantumeigenschap is, kan een elektron ook in een combinatie van spin-up en spin-down bestaan.
De Delftse onderzoekers vangen in hun quantumkooitjes trouwens geen elektronen, maar ‘elektrongaten’, die je je kunt voorstellen als positief geladen deeltjes met een spin.
Springen
Deze quantumdot-qubits, of spin-qubits, zijn veelbelovende bouwstenen voor toekomstige quantumcomputers. Ze zijn namelijk relatief robuust en bijzonder klein, waardoor er veel op een ‘quantumchip’ passen. Bovendien kunnen ze gemaakt worden met praktisch dezelfde technologie die nu gebruikt wordt voor het maken van elektronica. ‘Het zal mogelijk zijn om deze qubits op industriële schaal te produceren door gebruik te maken van dezelfde technologie die ook transistors produceert’, zegt Borsoi.
Om algoritmes te kunnen uitvoeren – oftewel berekeningen te kunnen doen – met qubits moet je ze van een 1 in een 0 kunnen veranderen en omgekeerd. Bij spin-qubits betekent dat dat je de spin moet kunnen roteren. Verder moet je de qubits door een circuit kunnen verplaatsen, zodat je de quantuminformatie op verschillende plekken in een quantumcomputer kunt bewerken of gebruiken.
De Delftse onderzoekers werkten aan een techniek waarbij ze de quantuminformatie verplaatsen door spins met behulp van kleine magnetische velden van quantumdot naar quantumdot te laten ‘springen’. De quantumdots werken daarbij als een soort trampolines, waartussen de spins heen en weer kunnen springen.
Salto’s
Bij de spring-experimenten zagen de onderzoekers iets geks. Het bleek dat de spins soms ook roteerden tijdens de sprongetjes. ‘We hadden eerst niet precies door wat er gebeurde’, zegt Borsoi. ‘Maar tijdens een van de groepsbijeenkomsten was er een soort aha-erlebnis, waarbij de eerste auteur, Chien-An Wang, zich realiseerde dat de spin spontaan roteert als we hem van de ene naar de andere plek laten springen. Daarna heeft bijna de hele onderzoeksgroep bijgedragen aan een beter begrip van dit principe.’
Dat dit mogelijk is, bleek in 1998 al voorspeld te zijn in het baanbrekende werk van twee bekende theoretici op dit gebied, vertelt Borsoi. Dit werd toen niet opgepakt, omdat er een simpelere techniek ontwikkeld was. Na ruim 25 jaar is het nu toevallig gelukt in experimenten. Dat is veelbelovend, omdat deze techniek efficiënter is dan de huidige methode om spin-qubits te roteren. ‘Je zou hiermee qubits sneller en efficiënter kunnen aansturen’, zegt Borsoi.
Voordat de salto-techniek gebruikt kan worden is er meer onderzoek nodig. ‘We moeten de effecten eerst beter begrijpen, zodat we weten onder welke omstandigheden de salto’s wel en niet plaatsvinden’, vertelt Borsoi. ‘Die kennis is nodig om ze beter te kunnen controleren. Het uiteindelijke doel is om met veel samenwerkende qubits een werkende quantumcomputer te bouwen. Maar daarvoor heb je honderdduizenden of zelfs miljoenen qubits nodig. Zover zijn we voorlopig nog niet. In deze eerste experimenten werkten we met maximaal tien quantumdots.’
