Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
Quantumcomputer

In Delft hebben ze het grote struikelblok voor de hypothetische quantumcomputer, storingen uit de omgeving, nu aardig onder de knie.

Aan het Kavli Instituut for Nanoscience in Delft is weer een stap gezet op de lange weg naar de quantumcomputer. In Nature van deze week beschrijft het Delftse team fysici, samen met Amerikaanse collega’s, een slimme techniek om de uiterst labiele qubits te beschermen tegen storende invloeden uit de omgeving, terwijl ze toch van buitenaf lees- en beschrijfbaar blijven.

De Delftse rudimentaire quantumcomputer huist in een diamant (= een kristal van koolstofatomen), waarin als verontreiniging één stikstof-atoom voorkomt. Een stikstof-atoom verdrijft ook altijd een naburig koolstofatoom uit het rooster, zodat daar een gat ontstaat, dat kan worden opgevuld door een los elektron. Dit elektron vormt samen met het stikstofatoom een ‘hybride’ systeem van 2 qubits dat al echt kan rekenen.

Een volwaardige quantumcomputer heeft een stuk of honderd qubits nodig, maar hoe makkelijk is het om dit systeem op te schalen? Kavli-onderzoeker Ronald Hanson: ‘We kunnen al meerdere atoomkernen aan zo’n elektron koppelen, zodat je ook meerdere verstrengelde qubits krijgt. Maar daarmee hebben we nog geen berekeningen gedaan.’
Eén elektron kan aan maximaal 8 á 9 kernen gekoppeld worden. Het aan elkaar koppelen van meerdere van zulke eenheden lukt wellicht nog dit jaar, schat Hanson.

Dubbelzinnigheid

Een qubit is het quantum-equivalent van een gewone bit. Wat elke computer in essentie doet, is het manipuleren van enorme aantallen bits, de kleinste eenheden informatie. Een bit kan bijvoorbeeld een aan/uit schakelaartje zijn, maar de Delftse groep gebruikt de spin (het quantum-equivalent van rotatie) van elektronen en atoomkernen als qubits.
Bij meting van de spin van een elektron vind je altijd de waarde +1/2 of – ½, die je 0 of 1 kun laten betekenen in de gebruikelijke computerlogica.
Het onbegrijpelijke van de quantummechanica is, dat een qubit, voordat je zijn waarde daadwerkelijk meet, in de dubbelzinnige toestand '0 en 1 tegelijkertijd' kan zijn. Ook kunnen qubits met elkaar verstrengeld zijn: ze weten van elkaars toestand en gedragen zich als een collectief. Daardoor representeert een setje van N qubits 2 tot de macht N toestanden tegelijkertijd, zodat ze in sommige opzichten functioneren als 2 tot de macht N gewone bits. Dat tikt aardig aan: met elke 10 qubits méér, neemt de rekencapaciteit met ongeveer een factor 1000 toe.
Daarom zou een quantumcomputer al met een stuk of honderd qubits alle bestaande computers in rekencapaciteit kunnen overtreffen.

Het grote struikelblok voor de quantumcomputer is echter dat de qubits hun dubbelzinnigheid alleen behouden als hun waarde niet gemeten wordt. Maar wat geldt als een meting? Vrijwel elk contact met de omgeving, zelfs warmte (toevallige bewegingen van de omringende deeltjes) is in quantummechanisch opzicht een meting, waardoor de dubbelzinnigheid verdwijnt en de qubit degenereert tot een klassieke bit met ofwel de waarde 0, ofwel 1.

Balanceertruc

De Delftse groep publiceerde eerder in Science een methode om elektron-qubits hun dubbelzinnigheid relatief lang te laten behouden. Zij lieten de elektronspins in hoog tempo telkens omklappen door ze te beschijnen met pulsen groen laserlicht. Hoewel de qubit dan wel intensief contact met de omgeving heeft, is die precies van het soort die de dubbelzinnigheid behoudt.
Het is enigszins te vergelijken met de manier waarop je een stok kunt laten balanceren op je vinger: de stok precies rechtop zetten op je vinger en die stil houden lukt nooit; de stok zal bij de kleinste verstoring een richting kiezen waarin hij omvalt. Door je vinger snel kleine bewegingen te laten maken, kan de stok als het ware geen richting kiezen en blijft hij overeind.

Een aantal losse qubits is echter nog geen quantumcomputer; de volgende stap is nu gezet door een elektron samen met een stikstof-atoom tot een dubbele, ‘ hybride’ qubit te maken. Het elektron en de stikstofkern kunnen allebei spin + of – ½ hebben, en hun spin-toestanden kunnen verstrengeld zijn.
Er is kunst- en vliegwerk met nauwkeurig getimede laserpulsen nodig om beide qubits verstrengeld en dubbelzinnig te houden, maar dan vormt het geheel één mini quantum-computer die vier (2 tot de macht 2) toestanden van twee bits (00,01,10,11 in willekeurige volgorde ) opslaat en daarop het algoritme van Grover uitvoert.
Dit algoritme is speciaal ontworpen voor een quantum-computer om een lijst van items te doorzoeken op een match met een vooraf gegeven item.

Stel, je vindt een briefje met een telefoonnummer in Leiden, maar zonder naam. Je kunt een computer in het telefoonboek van Leiden naar dit nummer laten zoeken, maar een klassieke computer weet niets beters dan een voor een alle nummers (zeg, 10.000) af te gaan totdat hij de goede tegenkomt (gemiddeld 5.000 pogingen). Maar, hoe raar dit ook klinkt, een quantumcomputer met Grovers algoritme vindt al na gemiddeld 100 pogingen (de wortel uit 10.000) het goede nummer.
Daarvoor zijn wel minstens 14 qubits nodig; de quantumcomputer van Hansons groep blijft met zijn 2 qubits voorlopig steken op een lijst met 4 items.

 

Decoherence-protected quantum gates for a hybrid solid-state spin register.
T van der Sar e.a., Nature, 5 april