Delftse onderzoekers beschermen spintoestand van enkel elektron tegen omgevingsinvloeden

Wetenschappers van de Technische Universiteit Delft zijn erin geslaagd om de spintoestand van een enkel elektron volledig te beschermen tegen omgevingsinvloeden. Elektronenspins in de vaste stof zijn veelbelovende bouwstenen voor kwantumtechnologieën zoals een kwantumcomputer, maar de wisselwerking van de spins met de omgeving bleek tot nu toe een groot struikelblok.

Door de spinrichting van het elektron met hele korte impulsen steeds om te klappen, zijn de onderzoekers erin geslaagd deze wisselwerking ongedaan te maken. Hierdoor gedraagt de spin zich alsof hij is losgekoppeld van zijn omgeving. Ze bewijzen verder dat deze techniek werkt voor elke mogelijke spintoestand, en daarmee toepasbaar is in een toekomstige kwantumcomputer. De resultaten worden deze week online gepubliceerd in het tijdschrift Science.

 Tegelijk 0 en 1

Kwantumdeeltjes zoals een atoom of een elektron kunnen zich in meer toestanden tegelijk bevinden. Zo kan bijvoorbeeld het magnetisch momentje van een elektron, de zogenoemde 'spin', tegelijk twee verschillende richtingen hebben. Als de spinrichting wordt gebruikt in een computer, kan het dus tegelijk 0 én 1 zijn, en niet alleen 0 óf 1 zoals bij een gewone computerschakeling. Dat maakt supersnel rekenwerk mogelijk. Het bouwen van een dergelijke kwantumcomputer wordt sterk gehinderd doordat de omgeving - ook bestaande uit kwantumdeeltjes - de toestand van de spin verstoort.

Diamant 

Het Delftse team werkt met elektronen in diamant, een favoriet materiaal voor kwantumwetenschappers. Het unieke aan diamant is dat de kwantumeigenschappen ook op kamertemperatuur zichtbaar zijn. Dit is een groot voordeel voor toekomstige toepassingen. De onderzoekers waren er eerder al in geslaagd om de spin van een enkel elektron te meten en om de omgevingsinvloeden in kaart te brengen. Door gebruik te maken van hoogfrequente impulsen van slechts een paar nanoseconde is het Delftse team er nu in geslaagd om de spin van een enkel elektron te controleren met een wereldrecord nauwkeurigheid. Hiermee konden de onderzoekers voor het eerst de spin beschermen tegen de omgeving, een baanbrekend resultaat.

Uitgemiddeld 

De onderzoekers draaiden de spin met vaste tussenpozen heel precies om, zodat het effect van de omgeving werd uitgemiddeld en het leek alsof de spin volledig geïsoleerd was. Hoe vaker ze de spin omklapten, hoe langer de kwantumtoestand behouden bleef. Voor 130 beschermende pulsen was dat al meer dan 25 maal langer dan voorheen was gemeten. Ze toonden tenslotte aan dat de bescherming werkt voor elke mogelijke kwantumtoestand. Deze resultaten zijn een grote doorbraak voor de kwantumwetenschappen, waar de omgevingsinvloeden tot dusver het grootste struikelblok zijn geweest voor nieuwe fundamentele experimenten en voor toepassingen in kwantumtechnologieën.

Het onderzoek vond plaats aan het Kavli Institute of Nanoscience van de Technische Universiteit Delft en stond onder leiding van Ronald Hanson (FOM-projectleider). Het werk is theoretisch ondersteund door collega's van Ames Lab in de Verenigde Staten. Eerste auteur Gijs de Lange is als promovendus in dienst van NWO. Het onderzoek werd uitgevoerd met subsidie van de Stichting FOM, NWO en DARPA. Ronald Hanson, lid van de Jonge Akademie van de KNAW, ontving in 2007 een NWO-Vidi beurs voor onderzoek naar quantuminformatie in diamant.

Figuur 1. Overzicht van het gebruikte sample
Overzichtsplaat verkregen door een laser te scannen over het sample en uitgezonden licht te detecteren. De goudkleurige vlakken zijn een gedeelte van het elektronische circuit dat gebruikt is voor de snelle pulsen. Deze goudstructuren zijn met nanolithografie direct op een diamantchip van 4x4x0.5 millimeter gemaakt. Tussen de goudstructuren is een stuk diamant zichtbaar; de witte stippen hierin zijn enkele elektronenspins. De oranje cirkels (NV1 en NV2) laten zien welke spins in de experimenten zijn gebruikt. De zoom-in geeft een schematisch beeld van de diamant op nanoschaal. In de experimenten wordt een enkele spin (oranje) beschermd tegen de invloeden van alle omliggende spins (groen).

Figuur 2. Bescherming van de kwantumtoestand van een enkele spin
Toestandsverval curven voor toenemend aantal (N) beschermende pulsen. De waarde op de y-as geeft aan hoeveel de toestand na bepaalde tijd overeen komt met de begintoestand. De waarde 1 betekent dat de toestand identiek is, en dus volledig beschermd. Hoe meer pulsen er gebruikt worden hoe langer het duurt voordat de spin toestand van het elektron verstoord wordt door de omgeving.