Hoe nanosnaartjes en kwantumbits uit de toon vallen (video)

Onderzoekers van de TU Delft hebben nu bestudeerd hoe decoherentie kan worden gemeten in mechanische resonatoren: zeer kleine trillende snaartjes gemaakt van koolstof nanobuisjes. Ze vonden dat het proces van decoherentie in een trillend nanobuisje vergelijkbaar is met decoherentie in een kwantumbit. De wetenschappers maakten het complexe proces van verlies van kwantuminformatie inzichtelijk met behulp van een trillende gitaarsnaar.

Nanosnaartjes

Decoherentie vermijden is de sleutel naar een werkende kwantumcomputer. Omdat decoherentie wordt veroorzaakt door willekeurige bewegingen van materie rond de qubits, worden de qubits meestal bestudeerd bij zeer lage temperaturen om hun omgeving zo rustig mogelijk te houden. Kwantuminformatie kan ook worden opgeslagen in nanosnaartjes: minuscule trillende koolstof nanobuisjes. Deze buisjes zijn zeer klein en licht en daardoor een bruikbaar instrument om meer te weten te komen over mechanische decoherentie. Een belangrijke vraag is of mechanische kwantumresonatoren, kwantuminformatie veel langer kunnen vasthouden dan kwantumbits. Als dat het geval is, zouden ze namelijk kunnen worden gebruikt als ‘kwantumgeheugen’ in een toekomstige kwantumcomputer.

De ‘kwantumgitaar’ bespelen

"Eén manier op kwantumdecoherentie uit te leggen, is via een analogie met gitaarspelen. Een trillend nanobuisje is eigenlijk een zeer, zeer kleine gitaarsnaar van slechts 500 nanometer lang en 1 nanometer breed", zegt Gary Steele van het Kavli Institute of Nanoscience. Als je een gitaarsnaar aanslaat, begint die te trillen. Kwantuminformatie kan worden gezien als de beweging van die snaar. Om zinvolle kwantumberekeningen te kunnen doen, is het essentieel om precies te weten hoeveel keren de snaar heeft getrild.

"In theorie is dit gemakkelijk", vervolgt Steele. "Gewoon de frequentie vermenigvuldigen met de tijd. Helaas verstoren twee fenomenen in de echte wereld het trillen van de snaar; ten eerste  is er demping, de dissipatie van energie. Nadat je een gitaarsnaar aanslaat, vermindert de amplitude van de trilling en het geluid sterft weg. Als dit gebeurt, gaat er kwantuminformatie verloren. Hetzelfde gebeurt ook in een qubit: na enige tijd zal het altijd terugvallen naar de toestand met de laagste energie." Dit type decoherentie kan in de huidige qubits, zoals spin-qubits, al vertraagd worden tot enkele seconden, wat voor een computer een zeer lange tijd is.

Aan de knoppen draaien 

Maar helaas is er nog een lastiger probleem. Tegelijkertijd ‘draait de natuur aan de stemknoppen van de gitaarsnaar’: door invloeden van de omgeving van een qubit, fluctueert de frequentie van  de snaar. Terwijl de snaar trilt,  draait de natuur op willekeurige wijze aan de stemknoppen van de gitaarsnaar waardoor de ‘toon’ onvoorspelbaar verandert in de tijd. Daardoor gaat de informatie over hoeveel keer de snaar heeft getrild zeer snel verloren, en dus ook de kwantuminformatie. Dit proces van ‘dephasing’ is veel moeilijker te controleren. Decoherentiee door dephasing in spin qubits kan kwantuminformatie bijvoorbeeld al verloren laten gaan na slechts 20 nanoseconde.

  

Kwantumgeheugen

Met een nanobuisje en een nieuwe snelle detectietechniek, wist de groep van Gary Steele beide decoherentieeprocessen tegelijkertijd te bestuderen in een mechanisch object op nanoschaal. Ze ontdekten dat decoherentie van de fase-informatie in de nanomechanische resonator niet alleen werd ‘getroffen’ door dissipatie, wat al vaker is aangetoond door anderen, maar ze zagen ook voor het eerst dephasing: de natuur die aan de gitaarknoppen zit.  Dit toont aan dat de decoherentieprincipes in mechanische objecten vergelijkbaar zijn met die in qubits.

Het voordeel van extreem kleine mechanische resonatoren om decoherentie te bestuderen, is dat ze zich kunnen gedragen als kwantumobjecten. Maar omdat ze veel groter zijn dan qubits die op één atoom zijn gebaseerd, zouden ze veel minder gevoelig kunnen zijn voor   dephasing. Misschien zouden mechanische resonatoren kwantuminformatie dus veel langer kunnen opslaan dan qubits, waardoor ze interessante kandidaten worden als toekomstig kwantumgeheugen.

Het onderzoek naar decoherentie in mechanische resonatoren is tot nu toe gedaan in het klassieke domein. In toekomstige experimenten, wil de groep van Gary Steele vergelijkbare experimenten met resonatoren uitvoeren in het kwantumregime.

Links

• http://steelelab.tudelft.nl/
• http://qn-med.tudelft.nl/2014/12/09/nature-communications-nanotube-decoherence/
• http://www.nature.com/ncomms/2014/141219/ncomms6819/full/ncomms6819.html

Illustratie van decoherentie door dissipatie en dephasing met behulp van een gitaarsnaar