Mini-quantumcomputer slaagt voor test

Wetenschappers van de TU Delft en de Stichting FOM zijn erin geslaagd om een mini-quantumcomputer bestaande uit vier quantumbits op een chip van diamant zeer nauwkeurig uit te lezen. Deze doorbraak vormt een belangrijke stap naar een quantumcomputer en maakt het mogelijk om quantumalgoritmes zoals teleportatie te gaan testen op een chip.

Een grote uitdaging op weg naar een quantumcomputer en de bijbehorende grootschalige quantumhardware, is het initialiseren en uitlezen van de minuscuul kleine quantumbits. De draairichting of spin van zowel individuele elektronen als atoomkernen fungeert als quantumbit: linksom draaien is een '0', rechtsom een '1'. Atoomkernen zijn zeer stabiele quantumbits omdat ze nauwelijks wisselwerken met hun omgeving. Tegelijkertijd maakt deze eigenschap het lastig om de toestand van atomen uit te lezen. Een team van de TU Delft onder leiding van FOM-werkgroepleider dr.ir. Ronald Hanson heeft dit probleem opgelost door een gevangen elektron als tussenstation van de meting te gebruiken.

Quantumbits uitlezen

De onderzoekers kunnen de toestand (spinrichting) van het elektron nu snel en nauwkeurig bepalen. Hiervoor sturen ze laserpulsen van een nauwkeurig ingestelde golflengte op het elektron. Het elektron absorbeert het licht en zendt het weer uit als het in de toestand '0' is, maar doet niets als het in toestand '1' is.

Om de spinrichting van de atoomkernen ook uit te lezen, voeren de onderzoekers eerst een quantumoperatie uit. Het elektron komt dan in een verstrengelde toestand met de atoomkernen, waardoor informatie van het atoom overgaat op het elektron. Vervolgens lezen zij de toestand van het elektron uit en herleiden daarmee de oorspronkelijke toestand van de atoomkernen.

Deze meettechniek is bijzonder omdat de meting de toestand van de atoomkernen niet verandert. Daardoor is deze meetmethode ook een goede manier om de atoomkernen klaar te zetten voor verdere quantumberekeningen en dus voor gebruik in een quantumcomputer. De onderzoekers demonstreren hun techniek op een mini-quantumcomputer bestaande uit vier quantumbits op een chip van diamant.

Diamanten toekomst

De ontdekking dat de fundamentele natuurwetten van de quantummechanica het mogelijk maken om supersnel te rekenen en volledig veilig informatie te versturen, heeft een wereldwijde race in gang gezet om de benodigde 'quantumhardware' te bouwen. Sinds een paar jaar is diamant een favoriet materiaal, omdat hierin quantumtoestanden weinig verstoord worden. Deze nieuwe uitleestechniek van quantumbits in diamant biedt de onderzoekers vele mogelijkheden. Zo willen ze interessante fenomenen als teleportatie en veel-deeltjes verstrengeling gaan testen in het lab. De uitlezing maakt het ook mogelijk om correctie van elementaire quantumfouten te implementeren, een essentieel onderdeel van een grootschalige quantumcomputer.

Het onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door een Marie Curie Intra European Fellowship uit het Zevende Kaderprogramma, FOM, the European Commission (SOLID) en de Research Corporation for Science Advancement (RCSA)