Het is wetenschappers van de technische universiteiten in Delft en Eindhoven en Stichting FOM gelukt een nieuw soort qubit te maken. De basis voor deze qubit is niet het gebruikelijke elektron, maar juist het gebrek daaraan. Volgens de wetenschappers is hij daardoor sneller en stabieler. Het onderzoek werd in Nature Nanotechnology gepubliceerd.
Al jaren wordt er geprobeerd om de zogenoemde spins van elektronen te controleren en manipuleren, en dat lukt inmiddels al redelijk. De spin kan worden voorgesteld als het ronddraaien van het elektron. Wetenschappers doen zoveel moeite om dat rondspinnen te controleren omdat een controleerbare spin kan dienen als qubit, de rekeneenheid van de toekomstige quantumcomputer. Een apparaat dat de conventionele computer bij het oplossen van sommige wiskundige vraagstukken ruimschoots zal verslaan.
In de zoektocht naar een stabiele qubit zijn Delftse wetenschappers er nu voor het eerst in geslaagd om niet gebruik te maken van de plek waar een elektron zit, maar van de plek waar een elektron ontbreekt. Met andere woorden, ze stabiliseerden en manipuleerden de spin van een ‘elektron-gat’.
“Deze gaten komen van nature voor in halfgeleidende materialen”, zegt Vlad Pribiag, onderzoeker van de Technische Universiteit Delft en hoofdauteur van het artikel. “Alleen waar de meeste onderzoekers zich focussen op de elektronen, richten wij ons op de gaten. Het ontbreken van een elektron kan namelijk ook gezien worden als een positief deeltje (met spin) tussen de voor de rest negatief geladen elektronen in het materiaal. Dat lijkt een beetje vreemd, maar dat is wat de quantummechanica voorspelt en wat wordt waargenomen in experimenten.”
Qubits vangen met elektrische drempels
De wetenschappers gebruikten een vergelijkbare opstelling als waarin elektronspins vaak worden gecontroleerd. Een halfgeleidende nanodraad gemaakt van indium en antimoon wordt dwars over enkele kleinere draden heen gespannen. Deze nanodraden werden gemaakt door wetenschappers van de Technische Universiteit Eindhoven.
Door een spanning te zetten op die onderste draden worden er als het ware drempels van elektrische velden gecreëerd. Tussen die drempels in kunnen elektronen in de nanodraad opgesloten worden. Maar, zo blijkt nu, ook de positieve gaten tussen die elektronen.
Door de spanningen op zowel de halfgeleidende draad als op de onderste draden te variëren en te meten kunnen de spins worden gecontroleerd, veranderd en uitgelezen. En dat is precies hetgeen dat ze geschikt maakt voor gebruik in een quantumcomputer.
Voordelen van gaten
Pribiag zegt dat het gebruik van gaten boven elektronen mogelijk grote voordelen kan hebben. “De theorie zegt dat de spins van gaten veel minder interactie aangaan met de spins van atoomkernen. Die interacties zorgen voor de grootste verstoringen bij qubits van elektronen. Onze metingen laten zien dat de informatie ongeveer tien keer langer kan worden opgeslagen in een gat.”
Ook zou de qubit sneller zijn. Spins van gevangen elektronen worden normaal gesproken ‘bewerkt’ door ze onder invloed van een elektrische spanning door de draad heen en weer te schuiven, dat heeft invloed op hun spin. Op deze manier kan er nieuwe informatie in de qubit worden gestopt. “Dat werkt goed, maar wat we zagen bij onze qubits is dat de spins van gaten veel sneller te manipuleren zijn dan die van elektronen. Dat zou uiteindelijk dus snellere qubits opleveren.”
D-Wave Systems Inc. claimt in 2011 al een werkende quantumcomputer te hebben gebouwd, maar veel wetenschappers twijfelen of dit werkelijk een quantumcomputer is.
D-Wave Systems Inc.Samen is beter
Het is nog te vroeg om te zeggen dat we bijna een quantumcomputer hebben, maar wetenschappers verkennen in rap tempo alle mogelijke opstellingen die een qubit kunnen vormen.
Het combineren van verschillende soorten qubits kan uiteindelijk zelfs weer nieuwe mogelijkheden opleveren, aldus Pribiag. “Een idee is om een elektron-qubit samen te laten werken met onze nieuwe qubit. De interactie van de twee kan er volgens de theorie voor zorgen dat er een foton wordt uitgezonden. Zijn polarisatie (de richting waarin het licht ‘draait’ – red.) zou dan informatie bevatten over de stand van de spins in de qubit. Zo’n foton kan weer gebruikt worden voor de communicatie met andere onderdelen in een quantumcomputer.”
Maar zo ver is het nog lang niet. Pribiag en collega’s willen eerst achterhalen hoeveel sneller en hoeveel stabieler hun nieuwe qubit is ten opzichte van andere qubits. “Dit is slechts een van de vele wegen naar een functionele qubit en quantumcomputer, maar ik denk wel dat het een veelbelovende weg is.”