Nieuwsbrief

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

MELD JE AAN
Kwantumcomputer

De kwantumcomputer gloort al vele jaren aan de horizon, maar de weg erheen lijkt op de processie van Echternach: er worden vele stapjes vooruit gezet, maar het doel komt slechts heel langzaam dichterbij. In Nature staan deze week een paar nieuwe stapjes.

Een computer rekent in bits, schakelaars of transistors die ‘aan’ of ‘uit’ kunnen staan en op die manier een ‘1’ of een ‘0’ voorstellen. Bitjes van een kwantumcomputer, qubits geheten, hoeven niet te kiezen tussen 0 en 1, maar kunnen dankzij de wondere eigenschappen van de kwantumwereld beide waarden tegelijk aannemen. En dat ook nog eens in alle mogelijke verhoudingen. ‘Vraag niet hoe het kan, maar profiteer ervan’, zou de kruidenier zeggen. Qubits maken het mogelijk dat sommige berekeningen razendsnel kunnen worden uitgevoerd.

In theorie althans. In de praktijk komt de kwantumcomputer maar moeizaam van de grond. Het grote probleem is dat je de qubits niet mag storen. Wie een nieuwe opdracht invoert of een uitkomst afleest, dwingt het qubit voor één specifieke toestand te kiezen. En dan is dat wondere kwantumfenomeen van alle waarden tegelijk verloren; en dus ook het snelle rekenen.

De laatste jaren waren de inspanningen er dan ook vooral op gericht een qubit te maken dat kan rekenen en dat zich indirect laat sturen en aflezen. Wetenschappers van de TU Delft schrijven deze week in Nature over hun stap in deze zoektocht. Zij bouwden een mini-kwantumcomputer van vier qubits die aan de gevraagde voorwaarden voldeden.

Het is een diamant. Een niet helemaal zuivere diamant, om precies te zijn. De Delftse kwantumcomputer is een diamantje (een paar duizendste millimeter groot) waarin sommige koolstofatomen zijn vervangen door stikstof. Juist dit ingekapselde stikstof heeft kwantummechanische eigenschappen waarvan bewezen is dat ze stabiel zijn en manipuleerbaar (lees: die kunnen rekenen). De onderzoekers van Delft laten nu zien dat ze die berekeningen kunnen aflezen.

Daartoe sturen ze een elektron op de diamant af en laten dit in aanraking komen met het qubit. Het gevolg is dat het elektron kwantummechanische eigenschappen van het qubit overneemt – ze raken verstrengeld, noemen fysici dat. In dit geval gaat het om de spin, het kwantum-equivalent van ronddraaien. Met behulp van een lichtflits meten ze de spin van het elektron (bij spin ‘1’ stuurt het elektron een flits terug, bij spin ‘0’ gebeurt er niets).

Het nieuwe van het Delftse onderzoek is dat ze met één lichtflits de hele kwantumcomputer kunnen aflezen. Tot nu toe had elk qubit zijn eigen flitsje nodig.
Een stapje voorwaarts dus, maar we zijn er nog lang niet. Een verzameling qubits is bijvoorbeeld nog geen computer. Een echte rekenaar voert meerdere berekeningen achtereen uit, haalt gegevens uit zijn geheugen en slaat ze daar weer op. Het volgende probleem is dus: hoe koppel je al die onderdelen van de kwantumcomputer? Hoe zorg je er bijvoorbeeld voor dat een elektron de uitkomst uit het ene qubit ongeschonden overbrengt naar het andere?

Onderzoekers van de universiteit van Cambridge vergelijken dit probleem met een cafébezoek. Stel, je wilt een rondje geven en moet je door een drukke menigte een weg banen naar de bar. Je moet om groepjes heen slalommen, je komt bekenden tegen met wie je even een praatje maakt. Dikke kans dat je aangekomen bij de bar niet meer precies weet wat je moet bestellen. Zou het niet handig zijn als je werd opgetild en over de drukte heen direct naar de bar werd gehesen?

Zoiets hebben de Britse onderzoekers met elektronen gedaan. Ook een elektron botst op zijn weg door een elektrisch circuit tegen allerlei obstakels en legt een zigzagweg af. En ook een elektron ‘vergeet’ daardoor onderweg wat het van het ene qubit moest overbrengen. De Britten tilden het elektron daarom op door de chip waarop de qubits liggen, in trilling te brengen. Hierdoor ontstond er een zogeheten akoestische oppervlaktegolf waarop het elektron over alle hindernissen heen naar zijn bestemmingen kon surfen.

Die bestemming lag trouwens slechts vier duizendste millimeter verderop, maar goed: in een chip is dat een hele afstand. Sterker nog, de onderzoekers slaagden erin het elektron zestig keer op en neer te laten stuiteren. Ook Franse fysici maken er in dezelfde editie van Nature melding van dat ze elektronen op een chip kunnen overhevelen.

Indrukwekkend, zegt de commentator van Nature. Met deze pendeldienst voor elektronen kunnen we wellicht een echte kwantumcomputer bouwen. Het is alleen de vraag of de elektronen het gepingpong ongeschonden doorstaan. Daar gaat het natuurlijk om. Het zou goed kunnen, schrijft hij, we worden heel goed in het manipuleren van individuele elektronen. Maar in deze experimenten is dat nog niet duidelijk. Misschien moeten de Britten eens in het Delftse lab gaan pingpongen.


Lucio Robledo ea: High-fidelity projective read-out of a solid-state spin quantum register, Nature online van 21 september 2011

Sylvain Hermelin ea: Electrons surfing on a sound wave as a platform for quantum optics with flying electrons, Nature, 22 september 2011

R. P. G. McNeil ea: On-demand single-electron transfer between distant quantum dots, Nature 22 september 2011