Je leest:

Quantumbit leeft langer in silicium

Quantumbit leeft langer in silicium

Een uitdaging bij het bouwen van een toekomstige quantumcomputer is het ontwikkelen van quantumbits (qubits) die zowel schaalbaar als robuust zijn. Onderzoekers van onder andere het Kavli Institute of Nanoscience van de Technische Universiteit Delft hebben het bestaan aangetoond van een langlevende quantumbit in silicium, het meest gebruikte materiaal van de halfgeleiderindustrie.

Elementaire deeltjes zoals elektronen kunnen data dragen voor toekomstige quantumcomputers.

Een quantumcomputer kan vraagstukken oplossen waarvoor zelfs supercomputers tekortschieten. Een grote uitdaging hierbij is het creëren van stabiele quantumbits, de rekeneenheid van zo’n quantumcomputer. Doorgaans worden qubits gemakkelijk verstoord door hun omgeving. Veel energie wordt daarom gestoken in de ontwikkeling van qubits in een omgeving die extreem rustig is.

Een quantumbit kan worden gevormd door het minuscule magnetisch moment van een elektron, ofwel de ‘spin’. Bij voorgaande experimenten met qubits in halfgeleiders werd de qubit sterk beïnvloed door de aanwezigheid van vele andere spins in de omgeving, waardoor de elektron-spin snel wordt verstoord en de qubit nutteloos wordt. Deze andere spins waren gebonden aan de atoomkernen in het materiaal waarin de elektron-spin zat opgesloten. In silicium komt bij slechts 5 procent van alle atoomkernen spin voor, de verwachting is dat daardoor de verstoring van de quantumbit veel kleiner is.

Het principe van de qubit

Toen de quantummechanica vorm kreeg, zo’n honderd jaar geleden, werd duidelijk dat elementaire deeltjes zich vreemd gedragen. Heel erg vreemd. Zo kunnen deeltjes tegelijkertijd linksom en rechtsom draaien, iets wat een superpositie wordt genoemd. Een qubit is in feite zo’n deeltje dat in een superpositie verkeerd. In een qubit, in dit geval een ‘gevangen’ elektron, kan met een elektrisch en magnetisch veld informatie worden geschreven, verwerkt en uitgelezen. Omdat een qubit vele toestanden tegelijk kan aannemen kunnen bepaalde berekeningen in een quantumcomputer veel sneller verlopen dan met gewone computers.

Honderd keer langer leven

De onderzoekers uit Delft en Wisconsin toonden aan dat elektron-spin in silicium bijna 100 keer langer standhield vergeleken met eerdere experimenten met het tot dan toe meest gebruikte halfgeleidende materiaal galliumarsenide. Waar voorheen de spintoestand ongeveer 10 Nanoseconde bleef bestaan, hebben de onderzoekers met een qubit in silicium de levensduur van de spin gerekt tot 1 Microseconde . Dit lijkt kort, maar als de berekeningen uitgevoerd kunnen worden in die tijd is 1 microseconde lang genoeg.

Silicum vormt ook de basis van huidige computerchips.

Deze resultaten versterken het vertrouwen in de toekomst van quantumbits in halfgeleiders. Verdere verbeteringen in de levensduur van qubits zijn mogelijk als het silicium zodanig wordt gezuiverd dat er alleen atomen zonder kernspin overblijven. Silicium is compatibel met de meest voorkomende halfgeleidertechniek die nu gebruikt wordt in elektronica. Omdat de techniek al bestaat zal de integratie van deze quantumbits veel sneller gaan.

Bron:

  • Kawakami E. et al., Electrical control of a long-lived spin qubit in a Si/SiGe quantum dot, Nature Nanotechnology (10 augustus 2014), DOI:10.1038/nnano.2014.153
Dit artikel is een publicatie van Technische Universiteit Delft.
© Technische Universiteit Delft, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 13 augustus 2014

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.