Delftse fysici hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de berekeningen van de toekomstige kwantumcomputer te kunnen uitlezen. Delft wint daarmee opnieuw een belangrijke slag in de concurrentiestrijd om de kwantumcomputer.
De kans dat de eerste kwantumcomputer uit Delft komt, is verder toegenomen met een nieuwe ontdekking van het Kavli Instituut voor Nanoscience van de faculteit Technische Natuurwetenschappen. Een nieuwe methode om de spinrichting van elektronen te meten, maakt het mogelijk om de uitkomsten van rekenoperaties in de toekomstige kwantumcomputer uit te lezen.
Theoretische natuurkundigen bedachten de kwantumcomputer in de jaren tachtig, maar het is nog niemand gelukt er een te bouwen. De verwachtingen zijn hooggespannen, omdat de superkrachtige computer bijvoorbeeld geheime codes kan kraken en razendsnel grote databases kan doorzoeken. Dat komt doordat de kwantumcomputer niet werkt met digitale bits, die de waarden ‘0’ en ‘1’ hebben, maar met qubits, die ‘0’ en ‘1’ tegelijk kunnen zijn. Door deze eigenschap, die superpositie wordt genoemd, kan een kwantumcomputer meer operaties tegelijk uitvoeren, en heeft die dus een veel grotere reken- en opslagcapaciteit dan een klassieke computer.
Onderzoekers van het ‘Delft Spin Qubit’ team proberen qubits te bouwen van elektronen. Doordat een elektron om zijn as tolt gedraagt het zich als een klein magneetje. Als een elektron linksom draait, is de spin omhoog gericht, en als het elektron rechtsom draait is de spinrichting naar beneden. De spinrichtingen, spin-op en spin-neer, vormen de waarden ‘0’ of ‘1’ voor een qubit, en omdat de spin een kwantummechanische eigenschap is, kan een elektron ook tegelijk spin-op en spin-neer zijn.
Om de elektronen te kunnen controleren, ontwikkelden de Delftse ‘spin doctors’, onder leiding van prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven, een soort doosje waar één of een paar elektronen in gevangen kunnen worden. Tussen twee plakjes halfgeleidend materiaal zitten elektronen gevangen, zodat ze alleen in het grensvlak kunnen bewegen. Boven op de halfgeleiderstructuur worden gouden elektroden geplakt. Door daar een negatieve spanning op te zetten, worden de negatief geladen elektronen in het grensvlak eronder afgestoten. “Door het patroon van de gouden strips slim te kiezen, wisten we in 2001 voor het eerst precies één elektron midden tussen de elektroden te vangen, in een zogenaamde kwantumdot”, vertelt de onlangs cum laude gepromoveerde dr.ir. Ronald Hanson van de onderzoeksgroep voor kwantumtransport. Hij is de eerste auteur van een artikel over de nieuwe spin-meetmethode in het Amerikaanse vakblad ‘Physical Review Letters’.
Elektrisch meten
Het baanbrekende ontwerp werd zonder patent aan de wetenschap geschonken. De grootste concurrent, Harvard, maakt daar nu dankbaar gebruik van. Hanson:”Dat was misschien niet zo slim, want daarmee hebben we ze een heel eind op weg geholpen.” Maar dankzij hun kwantumdot slaagde de Delftse groep er vorig jaar in de spinrichting van individuele elektronen geheel elektrisch te meten. Dat was, vanwege de minuscule magnetische sterkte nog nooit iemand gelukt. Die oude methode was gebaseerd op het energieverschil tussen een spin-op en een spin-neer elektron, dat ontstaat wanneer een sterk magnetisch veld wordt aangebracht. De kwantumdot werd zo afgesteld dat alleen spin-neer elektronen genoeg energie hadden om eruit te ontsnappen. Door te meten of het elektron wel of niet ontsnapte, werd de spinrichting vastgesteld.
Hanson: “De methode werkte goed, maar is gevoelig voor verstoringen en erg onhandig in de kwantumcomputer vanwege het grote magnetisch veld dat vereist is.” De groep zocht daarom verder en ontwikkelde een nieuwe methode, die gebruik maakt van het verschil in snelheid waarmee elektronen ontsnappen uit de kwantumdot. “We meten niet meer óf het elektron ontsnapt, maar wanneer het elektron uit de dot ontsnapt”, vertelt Hanson. “Als de ladingsmeter binnen een bepaalde tijd uitslaat, was het gevangen elektron een spin-op. Duurt het langer, dan was het elektron een spin-neer.” Deze methode heeft een veel kleiner magnetisch veld nodig, en is niet gevoelig voor ruis van losvliegende elektronen.
Een ander deel van de groep is bezig met de volgende stap, het verstrengelen van twee elektronen. Promovendus ir. Frank Koppens: “We stoppen twee elektronen in een dubbele kwantumdot zo dicht tegen elkaar aan, dat ze een band voelen. Die band is heel bijzonder omdat die ook nog blijft bestaan als de elektronen fysiek gescheiden worden.” De koppeling ontstaat door de elektrische spanning op één van de gouden strips te verkleinen, zodat de barriÈre tussen de elektronen wordt verlaagd.
Uiteindelijk moeten de onderzoeken samen leiden tot de realisatie van een twee-qubit berekening, de universele bouwsteen van een kwantumcomputer. “Als dat lukt, kunnen we in principe alle mogelijke berekeningen uitvoeren”, zegt Koppens. “We gaan daarvoor twee elektronen met tegengestelde spinrichting koppelen. Bovendien moeten we ze apart bestralen om de spin in de juiste richting te zetten.” Koppens verwacht voor beide experimenten nog ongeveer een jaar nodig te hebben.
De kwantumdot door een Atomic Force Microscope. De gouden elektrodes liggen boven op een halfgeleiderstructuur, waar de elektronen zich honderd nanometer (miljardste meter) onder het oppervlak bevinden. Het aantal elektronen in de quantumdots in het midden, is regelbaar via de spanning op de zes verticale strips. De twee extra strips aan de zijkant worden gebruikt voor het uitlezen van het aantal gevangen elektronen. (Illustratie: Delft Spin Qubit team)
Chiphouder met in het midden de halfgeleiderstructuur. Vanaf daar loopt de spanning door de draadjes naar de connector aan de bovenkant, die weer contact maakt met de meetdraden in de proefopstelling. (Foto: Delft Spin Qubit team)
De kans dat de eerste kwantumcomputer uit Delft komt, is verder toegenomen met een nieuwe ontdekking van het Kavli Instituut voor Nanoscience van de faculteit Technische Natuurwetenschappen. Een nieuwe methode om de spinrichting van elektronen te meten, maakt het mogelijk om de uitkomsten van rekenoperaties in de toekomstige kwantumcomputer uit te lezen.
Theoretische natuurkundigen bedachten de kwantumcomputer in de jaren tachtig, maar het is nog niemand gelukt er een te bouwen. De verwachtingen zijn hooggespannen, omdat de superkrachtige computer bijvoorbeeld geheime codes kan kraken en razendsnel grote databases kan doorzoeken. Dat komt doordat de kwantumcomputer niet werkt met digitale bits, die de waarden ‘0’ en ‘1’ hebben, maar met qubits, die ‘0’ en ‘1’ tegelijk kunnen zijn. Door deze eigenschap, die superpositie wordt genoemd, kan een kwantumcomputer meer operaties tegelijk uitvoeren, en heeft die dus een veel grotere reken- en opslagcapaciteit dan een klassieke computer.
Onderzoekers van het ‘Delft Spin Qubit’ team proberen qubits te bouwen van elektronen. Doordat een elektron om zijn as tolt gedraagt het zich als een klein magneetje. Als een elektron linksom draait, is de spin omhoog gericht, en als het elektron rechtsom draait is de spinrichting naar beneden. De spinrichtingen, spin-op en spin-neer, vormen de waarden ‘0’ of ‘1’ voor een qubit, en omdat de spin een kwantummechanische eigenschap is, kan een elektron ook tegelijk spin-op en spin-neer zijn.
Om de elektronen te kunnen controleren, ontwikkelden de Delftse ‘spin doctors’, onder leiding van prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven, een soort doosje waar één of een paar elektronen in gevangen kunnen worden. Tussen twee plakjes halfgeleidend materiaal zitten elektronen gevangen, zodat ze alleen in het grensvlak kunnen bewegen. Boven op de halfgeleiderstructuur worden gouden elektroden geplakt. Door daar een negatieve spanning op te zetten, worden de negatief geladen elektronen in het grensvlak eronder afgestoten. “Door het patroon van de gouden strips slim te kiezen, wisten we in 2001 voor het eerst precies één elektron midden tussen de elektroden te vangen, in een zogenaamde kwantumdot”, vertelt de onlangs cum laude gepromoveerde dr.ir. Ronald Hanson van de onderzoeksgroep voor kwantumtransport. Hij is de eerste auteur van een artikel over de nieuwe spin-meetmethode in het Amerikaanse vakblad ‘Physical Review Letters’.
Elektrisch meten
Het baanbrekende ontwerp werd zonder patent aan de wetenschap geschonken. De grootste concurrent, Harvard, maakt daar nu dankbaar gebruik van. Hanson:”Dat was misschien niet zo slim, want daarmee hebben we ze een heel eind op weg geholpen.” Maar dankzij hun kwantumdot slaagde de Delftse groep er vorig jaar in de spinrichting van individuele elektronen geheel elektrisch te meten. Dat was, vanwege de minuscule magnetische sterkte nog nooit iemand gelukt. Die oude methode was gebaseerd op het energieverschil tussen een spin-op en een spin-neer elektron, dat ontstaat wanneer een sterk magnetisch veld wordt aangebracht. De kwantumdot werd zo afgesteld dat alleen spin-neer elektronen genoeg energie hadden om eruit te ontsnappen. Door te meten of het elektron wel of niet ontsnapte, werd de spinrichting vastgesteld.
Hanson: “De methode werkte goed, maar is gevoelig voor verstoringen en erg onhandig in de kwantumcomputer vanwege het grote magnetisch veld dat vereist is.” De groep zocht daarom verder en ontwikkelde een nieuwe methode, die gebruik maakt van het verschil in snelheid waarmee elektronen ontsnappen uit de kwantumdot. “We meten niet meer óf het elektron ontsnapt, maar wanneer het elektron uit de dot ontsnapt”, vertelt Hanson. “Als de ladingsmeter binnen een bepaalde tijd uitslaat, was het gevangen elektron een spin-op. Duurt het langer, dan was het elektron een spin-neer.” Deze methode heeft een veel kleiner magnetisch veld nodig, en is niet gevoelig voor ruis van losvliegende elektronen.
Een ander deel van de groep is bezig met de volgende stap, het verstrengelen van twee elektronen. Promovendus ir. Frank Koppens: “We stoppen twee elektronen in een dubbele kwantumdot zo dicht tegen elkaar aan, dat ze een band voelen. Die band is heel bijzonder omdat die ook nog blijft bestaan als de elektronen fysiek gescheiden worden.” De koppeling ontstaat door de elektrische spanning op één van de gouden strips te verkleinen, zodat de barriÈre tussen de elektronen wordt verlaagd.
Uiteindelijk moeten de onderzoeken samen leiden tot de realisatie van een twee-qubit berekening, de universele bouwsteen van een kwantumcomputer. “Als dat lukt, kunnen we in principe alle mogelijke berekeningen uitvoeren”, zegt Koppens. “We gaan daarvoor twee elektronen met tegengestelde spinrichting koppelen. Bovendien moeten we ze apart bestralen om de spin in de juiste richting te zetten.” Koppens verwacht voor beide experimenten nog ongeveer een jaar nodig te hebben.
De kwantumdot door een Atomic Force Microscope. De gouden elektrodes liggen boven op een halfgeleiderstructuur, waar de elektronen zich honderd nanometer (miljardste meter) onder het oppervlak bevinden. Het aantal elektronen in de quantumdots in het midden, is regelbaar via de spanning op de zes verticale strips. De twee extra strips aan de zijkant worden gebruikt voor het uitlezen van het aantal gevangen elektronen. (Illustratie: Delft Spin Qubit team)
Chiphouder met in het midden de halfgeleiderstructuur. Vanaf daar loopt de spanning door de draadjes naar de connector aan de bovenkant, die weer contact maakt met de meetdraden in de proefopstelling. (Foto: Delft Spin Qubit team)
Comments are closed.