Stichting FOM
21 september 2011, 2011/41
Mini-quantumcomputer slaagt voor test
Vier quantumbits op een chip van diamant zetten belangrijke stap
Wetenschappers van de TU Delft en de Stichting FOM zijn erin geslaagd
om een mini-quantumcomputer bestaande uit vier quantumbits op een chip
van diamant zeer nauwkeurig uit te lezen. Deze doorbraak vormt een
belangrijke stap naar een quantumcomputer en maakt het mogelijk om
quantumalgoritmes zoals teleportatie te gaan testen op een chip. De
onderzoekers publiceren hun resultaten woensdagavond 21 september
online in Nature.
Figuur 1. Elektronenmicroscoopopname van de diamanten chip
vergroten Figuur 1. Elektronenmicroscoopopname van de diamanten chip
De vier quantumbits van spins (de bolletjes met pijltjes) worden
uitgelezen door er rood laserlicht op te richten. Informatie over de
toestand van de spins komt mee terug met het licht.
Een grote uitdaging op weg naar een quantumcomputer en de bijbehorende
grootschalige quantumhardware, is het initialiseren en uitlezen van de
minuscuul kleine quantumbits. De draairichting of spin van zowel
individuele elektronen als atoomkernen fungeert als quantumbit: linksom
draaien is een '0', rechtsom een '1'. Atoomkernen zijn zeer stabiele
quantumbits omdat ze nauwelijks wisselwerken met hun omgeving.
Tegelijkertijd maakt deze eigenschap het lastig om de toestand van
atomen uit te lezen. Een team van de TU Delft onder leiding van
FOM-onderzoeker dr.ir. Ronald Hanson heeft dit probleem opgelost door
een gevangen elektron als tussenstation van de meting te gebruiken.
Quantumbits uitlezen
De onderzoekers kunnen de toestand (spinrichting) van het elektron nu
snel en nauwkeurig bepalen. Hiervoor sturen ze laserpulsen van een
nauwkeurig ingestelde golflengte op het elektron. Het elektron
absorbeert het licht en zendt het weer uit als het in de toestand '0'
is, maar doet niets als het in toestand '1' is.
Om de spinrichting van de atoomkernen ook uit te lezen, voeren de
onderzoekers eerst een quantumoperatie uit. Het elektron komt dan in
een verstrengelde toestand met de atoomkernen, waardoor informatie van
het atoom overgaat op het elektron. Vervolgens lezen zij de toestand
van het elektron uit en herleiden daarmee de oorspronkelijke toestand
van de atoomkernen.
Deze meettechniek is bijzonder omdat de meting de toestand van de
atoomkernen niet verandert. Daardoor is deze meetmethode ook een goede
manier om de atoomkernen klaar te zetten voor verdere
quantumberekeningen en dus voor gebruik in een quantumcomputer. De
onderzoekers demonstreren hun techniek op een mini-quantumcomputer
bestaande uit vier quantumbits op een chip van diamant.
Diamanten toekomst
De ontdekking dat de fundamentele natuurwetten van de quantummechanica
het mogelijk maken om supersnel te rekenen en volledig veilig
informatie te versturen, heeft een wereldwijde race in gang gezet om de
benodigde 'quantumhardware' te bouwen. Sinds een paar jaar is diamant
een favoriet materiaal, omdat hierin quantumtoestanden weinig verstoord
worden. Deze nieuwe uitleestechniek van quantumbits in diamant biedt de
onderzoekers vele mogelijkheden. Zo willen ze interessante fenomenen
als teleportatie en veel-deeltjes verstrengeling gaan testen in het
lab. De uitlezing maakt het ook mogelijk om correctie van elementaire
quantumfouten te implementeren, een essentieel onderdeel van een
grootschalige quantumcomputer.
Het onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door een Marie Curie Intra
European Fellowship uit het Zevende Kaderprogramma, FOM, the European
Commission (SOLID) en de Research Corporation for Science Advancement
(RCSA).