In de kwantummechanica draait alles om de kleinst mogelijke deeltjes, en hun wisselwerking met elkaar en de omgeving. Als je een enkel elektron isoleert, gedraagt het zich niet meer als een simpel deeltje. De spin van een kwantummechanisch elektron is bijvoorbeeld niet meer gewoon naar boven of naar beneden gericht, maar wijst in een combinatie van beide richtingen tegelijk. Pas als de eigenschappen van het deeltje worden gemeten komen ze vast te staan – maar dan heb je gelijk het systeem verstoord.

In de kwantumnatuurkunde wordt het gedrag van de kleinste deeltjes, zoals elektronen, bestudeerd. Grondleggers Werner Heisenberg (links) en Erwin Schrödinger kwamen erachter dat de klassieke natuurkunde, waarin alles welbepaald is, op dat niveau niet meer op gaat. Eigenschappen van deeltjes, zoals de spin van een elektron, hebben bijvoorbeeld geen vastgestelde waarde, maar bestaan uit een superpositie van mogelijkheden.

Wikimedia commons

Die kwantummechanische eigenschappen van het elektron kunnen in theorie gebruikt worden voor een supercomputer. Daarin kunnen alle bits dan niet slechts de waarden 0 of 1, maar ook een willekeurige combinatie daarvan hebben. In het systeem waar onderzoekers van het Delftse Kavli Institute for Nanoscience deze maand over publiceren in het tijdschrift Applied Physics Letters kunnen deze losse elektronen opgesloten en verplaatst worden.

Diamant bestaat uit koolstofatomen die in een bijzonder stevig rooster gerangschikt zijn. Bij een defect in dat rooster ontbreken er atomen, of zijn atomen vervangen door een ander element.

Wikimedia commons

Het systeem bestaat uit superkleine diamantjes van enkele tientallen nanometers groot. In die diamantjes kan je foutjes in het kristalrooster te maken. Die foutjes, defecten genoemd, kunnen dan gebruikt worden om elektronen in te vangen. De Delftse en Leidse natuurkundigen hebben zich op een bijzonder defect toegespitst: het zogenaamde NV-centrum. Bij zo’n defect ontbreekt er in het diamantrooster een koolstofatoom, en daarnaast is een koolstofatoom vervangen door stikstof. Door de bijzondere vorm van dit defect is het mogelijk om kwantuminformatie op te slaan in de elektronen rondom het defect. Bovendien is het NV-centrum een bron van losse lichtdeeltjes (fotonen), en is het stabiel op kamertemperatuur.

De onderzoekers hebben een aantal nanodiamantjes op een chip geplaatst, en bepaald welke van die diamantjes een goed NV-centrum bevatten. Vervolgens hebben ze onder een elektronenmicroscoop met een superdunne naald de diamantjes verplaatst – te zien op het filmpje. Met andere metingen konden ze daarna laten zien dat de eigenschappen van de diamantjes na verplaatsing niet waren veranderd. Het NV-centrum gold al eerder als een interessante potentiële kwantumbit, en nu we ze kunnen verplaatsen en manipuleren is de kwantumcomputer alweer een klein stapje dichterbij.

Bron:

Zie verder:

• Kwantumcomputers (Kennislinkartikel van Natuurkunde.nl)
• De kwantumcomputer heeft een onverwacht lek (Kennislinkartikel van Universiteit Leiden)
• Dressuur met qubits (Kennislinkartikel)
• Nanobuisjes bruikbaar als elektronenval (Kennislinkartikel)