Je leest:

Qubits schakelen met elektriciteit

Qubits schakelen met elektriciteit

Auteur:

Delftse wetenschappers zijn weer een stapje dichterbij de quantumcomputer. Door elektronen te vangen in een speciaal nanodraadje, kregen ze het voor elkaar om de spin van de elektronen als schakelaar te gebruiken. En die schakelaar is ook nog gemakkelijk aan of uit te zetten, met een klein elektrisch stroompje.

Quantumcomputers bestaan alleen nog in de hoofden van nanowetenschappers zoals Leo Kouwenhoven, van het Kalvi centrum aan de TUDelft. De theorie is dat quantumcomputers hele snelle berekeningen zouden kunnen maken, omdat ze niet alleen beschikken over bits die 0 of 1 kunnen zijn, maar ook 0 én 1 tegelijkertijd. Dat zijn dan geen bits meer, maar ‘qubits’. Wat een qubit precies is maakt niet uit, als hij maar 0, 1 én 01 kan zijn. Vaak worden hier elektronen voor gebruikt, zo ook in het onderzoek van het team van professor Kouwenhoven, dat vandaag in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Nature verscheen.

Hoe zat het ook alweer?

Atomen bestaan uit een kern van protonen en neutronen. Daaromheen draaien elektronen. Die zijn véél kleiner dan de kerndeeltjes. Daardoor zit er een heleboel ‘niks’ in een atoom. De elektronen kunnen in verschillende schillen rond de kern bewegen. En alsof dat nog niet genoeg was, draaien ze ook nog eens om hun eigen as. Of ze naar boven of naar beneden draaien (denk aan een jojo), bepaalt hun ‘spin’.

Small
Veel niks, zo’n atoom. De elektronen zijn niet op schaal ten opzichte van de kern.

Ze presenteerden twee qubits die ‘herschrijfbaar’ zijn met korte elektrische pulsjes. In andere qubit systemen gebeurde dit herschrijven met magnetische velden, maar dat werkt niet zo goed als je de qubits uiteindelijk op een chip wilt gebruiken. Met het oog op de toekomst stuurde het team onderzoekers elektronen door een nanodraadje van indium-arseen. Terwijl ze door dit draadje bewegen, springen de elektronen heel vlug van atoomkern naar atoomkern over. Tussen deze sprongetjes in draaien ze eventjes rond de kern van een indium-atoom, net als een elektron dat gewoon deel uitmaakt van het atoom (zie kader).

Loodrecht op deze nanodraad, lopen vier nog dunnere nanodraadjes van metaal, waar elektriciteit doorheen loopt. Door de stroom heel precies af te stellen lukte het twee elektronen tussen de draadjes te vangen: deze vormen de qubits. Ze draaien dan rond het indium-atoom waar ze toevallig bij aangeland waren. De ‘spin’ van deze elektronen, dat wil zeggen, welke kant ze om hun eigen as draaien, bepaalt of de qubit, 0, 1, of allebei is.

Medium
Hier zien je het apparaatje waar twee qubits in gevangen zijn. Van “Drain” naar “Source” lopen de elektronen. Horizontaal lopen de vier draadjes die twee elektronen op hun plek houden en het vijfde draadje dat voor de manipulatie zorgt.

Naast deze vier metalen draadjes die de elektronen op hun plaats houden, loopt er nog een vijfde nanodraad langs de elektronen. Door hiermee een puls microgolfstraling af te vuren, kunnen de wetenschappers de spin van de elektronen omdraaien. Dat komt door het spin-orbit-effect. Het elektrische stroompje verandert het minuscule magnetische veld van het indiumatoom waar de qubit omheen draait. Daardoor verandert de baan waarin het elektron rond de kern draait, en dàt klapt de spin van het elektron om. Dit effect is meestal niet zo groot, maar bij zware kernen zoals indium is het sterk genoeg aanwezig om toch de spin om te kunnen klappen, zonder hulp van een extern magnetisch veld.

Small
De opschaling wordt nog wel even puzzelen.

Als de spin van de de twee elektron-qubits dezelfde kant op draaien, laten ze stroom door, als ze in tegengestelde richting draaien (anti-parallel), blokkeren ze de stroom. Eigenlijk werken de qubits samen als lichtknopje. Met een klein pulsje van nanodraadje vijf is gemakkelijk te schakelen tussen de verschillende qubit toestanden, ook de superpositie 0 én 1.

De onderzoekers begrijpen nu de quantummechanische regels van twee qubits, maar dat wil niet zeggen dat de quantumcomputers volgend jaar al klaar zijn. Misschien dat het simpelweg langer maken van de indium-arseendraad om er meer elektronen op te vangen, hele andere effecten geeft dan deze simpele variant. Daar gaan de onderzoekers hard aan werken de komende tijd. Toch leent deze duo-qubit zich vrij aardig voor massaproductie. Al was het maar als onderdeel van een groter systeem: het uiteinde van de indium-arseendraad kan namelijk licht geven, en zo zijn ‘qubitstatus’ met een foton doorgeven.

Bron

Nadj-Perge, S., Frolov, S. M., Bakkers, E. P. A. M. & Kouwenhoven, L. P. Nature 468, 1084-1087 (2010).

Lees ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 23 december 2010

Discussieer mee

0

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

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE