Je leest:

Dressuur met qubits

Dressuur met qubits

Auteur: | 14 april 2006

Onder leiding van hoogleraar Leo Kouwenhoven hebben natuurkundigen van de TU Delft en Universiteit Leiden hun krachten gebundeld in de concentratiegroep Solid State Quantum Information Processing. Stap voor stap ontwerpen ze daar de bouwstenen van toekomstige kwantumcomputers.

Prof. dr. ir. Leo Kouwenhoven, hoogleraar aan de TU Delft, kreeg in 2004 negen miljoen euro van natuurkundefinancier FOM om Nederlandse onderzoekers op te stuwen tot in de wereldtop van zijn onderzoeksveld. Twee jaar verder in het tienjarige project heeft hij permanente en tijdelijke groepsleden aangenomen en laboratoria ingericht bij de TU Delft. Groepsleden Lieven Vandersypen, Michiel de Dood en Valery Zwiller vertelden tijdens een kick-off bijeenkomst over hun eerste resultaten en plannen voor de toekomst. Samengevat: hoe je piepkleine deeltjes laat opzitten, rondjes draaien en elkaar pootjes laat geven.

Een quantum dot: tussen de elektrodes heerst een elektrisch veld dat elektronen wegdrukt – behalve uit twee eilandjes in het midden. Daar kunnen elektronen individueel worden opgesloten. Onderzoekers proberen zulke gevangen elektronen volledig onder controle te krijgen, zodat ze bewegen en rondtollen op commando. Zulke controle is nodig om quantum dots in te kunnen zetten als basiseenheiden van een kwantumcomputer. bron: TU Delft, Quantum Transport Group

Wondermachine

“We bouwen hier géén kwantumcomputer”, waarschuwt Kouwenhoven alvast tijdens zijn inleiding. Zo’n apparaat kan door de bizarre natuurwetten van de kwantummechanica sneller rekenen dan honderd supercomputers samen – in theorie dan. Want kleine deeltjes zover krijgen dat ze braaf samenwerken aan een ingewikkelde berekening blijkt een heidense klus. Zo moeilijk zelfs, dat het nog tientallen jaren kan duren voor er een werkende versie is. De concentratiegroep richt zich dan ook op de ontwikkeling van bouwstenen voor de volwassen versie. Kleine modellen om het principe van de kwantumcomputer te testen zijn namelijk al wel gemaakt, maar kunnen nog lang niet concurreren met bestaande normale computers.

Het spectaculairste resultaat van een baby-kwantumcomputer is vooralsnog het correct ontbinden van het getal 15 in 3 en 5. Dat was in 2001 een Nature-publicatie waard voor Lieven Vandersypen (TU Delft), nu een permanent lid van Kouwenhoven’s concentratiegroep. In Vandersypen’s experiment maakte de ‘computer’, een molecuul waarin de draairichting van atoomkernen rond hun as de kwantuminformatie droeg, gebruik van een revolutionaire rekenmethode: Shor’s algoritme. Het algoritme werkt alleen op een kwantumcomputer en kan enorme getallen – zoals de sleutels waarmee pincodes beveiligd zijn – in veel minder rekenstappen uiteen rafelen dan een conventionele computer.

“Helaas kun je dit molecuul niet uitbreiden om er een échte kwantumcomputer van te maken”, legde Vandersypen uit tijdens de kick-off. Hij onderzoekt nu of een quantum dot, een kunstmatige val om elektronen individueel of in kleine groepjes in te vangen, wél kan dienen als qubit, de bouwsteen voor een echte kwantumcomputer.

Afbeelding: qubit op basis van rondlopende stroompjes, ontwikkeld door Hans Mooij (TU Delft). Het witte balkje is een micrometer (miljoenste meter) lang. _ bron: TU Delft. Klik op de afbeelding voor een grotere versie._ Qubits zijn de geheugencellen van kwantumcomputers. Een bit in een normale computer heeft de waarde 0 óf 1, maar een qubit kan in een spookachtige superpositie een mengsel van de twee toestanden in zich dragen. Qubits aan elkaar gekoppeld dragen daardoor veel meer informatie dan een normale groep bits en kunnen daardoor verschillende rekenstappen tegelijkertijd in plaats van na elkaar uitvoeren. Dat betekent flinke tijdwinst voor de kwantuminformaticus.

Naast de quantum dots van Vandersypen en zijn team onderzoekt de concentratiegroep nog meer verschijnselen met qubit-potentie. Losse qubits zijn waardeloos; waar het om gaat is dat een kwantuminformaticus er een aantal kan verstrengelen. Verstrengelde deeltjes weten ogenblikkelijk wat er met hun partners gebeurt en dat zorgt voor datatransport in de kwantumcomputer.

Valery Zwiller (TU Delft) werkt aan basistechnologie die de ene soort qubits in de andere moet veranderen. Het team van collega Vandersypen levert over een paar jaar misschien qubits af die bestaan uit tollende elektronen in een quantum dot, maar die deeltjes zijn opgesloten in een elektrische val en kunnen dus niet bewegen. Zwiller onderzoekt daarom hoe je de kwantuminformatie van de elektronen haalt en overbrengt op een lichtdeeltje: “van stilstaande naar vliegende qubits”, merkt hij op.

De kwantumcomputer waarmee Vandersypen en collega’s het getal 15 ontbonden in 3 en 5 via Shor’s algoritme. De kwantuminformatie werd hier gedragen door de richting waarin de vijf ijzer-atomen (geel: Fe) om hun as draaiden. Met radiogolven wisten de onderzoekers de draairichting van de ijzerkernen zo te richten dat die het kleine kwantumcomputer-programma uitvoerden. Shor’s rekenrecept werkt alleen op een kwantumcomputer en is voor grote getallen veel sneller dan een conventionele computer.

Lichtdeeltjes die zich gedragen als qubit lijken een ideaal medium om informatie in een kwantumcomputer te verspreiden. De uitdagingen zijn legio: Zwiller moet bijvoorbeeld zorgen dat zijn kopiëerproces de kwetsbare verstrengeling tussen de qubits niet verbreekt. Michiel de Dood (Universiteit Leiden) werkt daarom onafhankelijk van Zwiller aan een nieuwe, tot duizend keer betere bron van verstrengelde fotonen dan nu in laboratoria bestaat.

Fotonen dragen een polarisatie, ruwweg de richting waarin ze om hun as tollen. In een paar verstrengelde fotonen weet je zeker dat de twee tegen elkaar in draaien, ook als ze elkaar al een tijdje niet hebben gezien en één partner door een polarisator van richting is veranderd; de partner draait dan meteen door een spookachtige invloed op afstand om.

Einstein brak zijn hoofd al over kwantumverstrengeling, maar tijdens de kick-off in Delft doen de aanwezigen er luchtig over; ze zijn wel vreemder gewend. Van de mensen die de computer van (over)morgen bouwen wordt niets anders verwacht.

Kwantumcomputers en hun bouwstenen

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 april 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.