Stichting FOM
10 september 2010, 2010/28
Delftse onderzoekers beschermen spintoestand van enkel elektron tegen
omgevingsinvloeden
Wetenschappers van de Technische Universiteit Delft zijn erin geslaagd
om de spintoestand van een enkel elektron volledig te beschermen tegen
omgevingsinvloeden. Elektronenspins in de vaste stof zijn veelbelovende
bouwstenen voor kwantumtechnologieën zoals een kwantumcomputer, maar de
wisselwerking van de spins met de omgeving bleek tot nu toe een groot
struikelblok. Door de spinrichting van het elektron met hele korte
pulsen steeds om te klappen, zijn de onderzoekers erin geslaagd deze
wisselwerking ongedaan te maken. Hierdoor gedraagt de spin zich alsof
hij is losgekoppeld van zijn omgeving. Ze bewijzen verder dat deze
techniek werkt voor elke mogelijke spintoestand, en daarmee toepasbaar
is in een toekomstige kwantumcomputer. De resultaten worden deze week
online gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Science.
Figuur 1. Overzicht van het gebruikte sample
vergroten Figuur 1. Overzicht van het gebruikte sample
Overzichtsplaat verkregen door een laser te scannen over het sample en
uitgezonden licht te detecteren. De goudkleurige vlakken zijn een
gedeelte van het elektronische circuit dat gebruikt is voor de snelle
pulsen. Deze goudstructuren zijn met nanolithografie direct op een
diamantchip van 4x4x0.5 millimeter gemaakt. Tussen de goudstructuren is
een stuk diamant zichtbaar; de witte stippen hierin zijn enkele
elektronenspins. De oranje cirkels (NV1 en NV2) laten zien welke spins
in de experimenten zijn gebruikt. De zoom-in geeft een schematisch
beeld van de diamant op nanoschaal. In de experimenten wordt een enkele
spin (oranje) beschermd tegen de invloeden van alle omliggende spins
(groen).
Figuur 2. Bescherming van de kwantumtoestand van een enkele spin
vergroten Figuur 2. Bescherming van de kwantumtoestand van een enkele
spin
Toestandsverval curven voor toenemend aantal (N) beschermende pulsen.
De waarde op de y-as geeft aan hoeveel de toestand na bepaalde tijd
overeen komt met de begintoestand. De waarde 1 betekent dat de toestand
identiek is, en dus volledig beschermd. Hoe meer pulsen er gebruikt
worden hoe langer het duurt voordat de spin toestand van het elektron
verstoord wordt door de omgeving.
Kwantumdeeltjes zoals een atoom of een elektron kunnen zich in meerdere
toestanden tegelijk bevinden. Zo kan bijvoorbeeld het magnetisch
momentje van een elektron, de zogenaamde 'spin', tegelijk twee
verschillende richtingen hebben. Als de spinrichting wordt gebruikt in
een computer, kan het dus tegelijk 0 én 1 zijn, en niet alleen 0 óf 1
zoals bij een gewone computerschakeling. Dat maakt supersnel rekenwerk
mogelijk. Het bouwen van een dergelijke kwantumcomputer wordt sterk
gehinderd doordat de omgeving - ook bestaande uit kwantumdeeltjes - de
toestand van de spin verstoort.
Het Delftse team werkt met elektronen in diamant, een favoriet
materiaal voor kwantumwetenschappers. Het unieke aan diamant is dat de
kwantumeigenschappen ook op kamertemperatuur zichtbaar zijn. Dit is een
groot voordeel voor toekomstige toepassingen. De onderzoekers waren er
eerder al in geslaagd om de spin van een enkel elektron te meten en om
de omgevingsinvloeden in kaart te brengen. Door gebruik te maken van
hoogfrequente pulsen van slechts een paar nanoseconden is het Delftse
team er nu in geslaagd om de spin van een enkel elektron te controleren
met een wereldrecord nauwkeurigheid. Hiermee konden de onderzoekers
voor het eerst de spin beschermen tegen de omgeving, een baanbrekend
resultaat.
De onderzoekers draaiden de spin met vaste tussenpozen heel precies om,
zodat het effect van de omgeving werd uitgemiddeld en het leek alsof de
spin volledig geïsoleerd was. Hoe vaker ze de spin omklapten, hoe
langer de kwantumtoestand behouden bleef. Voor 130 beschermende pulsen
was dat al meer dan 25 maal langer dan voorheen was gemeten. Ze toonden
tenslotte aan dat de bescherming werkt voor elke mogelijke
kwantumtoestand. Deze resultaten zijn een grote doorbraak voor de
kwantumwetenschappen, waar de omgevingsinvloeden tot dusver het
grootste struikelblok zijn geweest voor nieuwe fundamentele
experimenten en voor toepassingen in kwantumtechnologieën.
Het onderzoek vond plaats aan het Kavli Institute of Nanoscience van de
Technische Universiteit Delft en stond onder leiding van Ronald Hanson
(FOM-projectleider). Het werk is theoretisch ondersteund door collega's
van Ames Lab in de Verenigde Staten. Eerste auteur Gijs de Lange is als
promovendus in dienst van NWO. Het onderzoek werd uitgevoerd met
subsidie van de Stichting FOM, NWO en DARPA. Ronald Hanson, lid van de
Jonge Akademie van de KNAW, ontving in 2007 een NWO-Vidi beurs voor
onderzoek naar kwantuminformatie in diamant.
Referentie
Het artikel is op aanvraag beschikbaar via Ronald Hanson (zie
contactgegevens onder de kop 'Informatie').
Informatie
Ronald Hanson, Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of
Technology, telefoon (015) 278 71 88.
Kijk voor meer informatie op:
http://www.tnw.tudelft.nl/live/pagina.jsp?id=1facd289-2d36-423c-a595-b6
f78063b316&lang=en