QuTech ontwikkelt testapparatuur om het gedrag van elektronen te volgen

Door: Jacqueline van Gool

De ontwikkeling van kwantumcomputers gaat met kleine stapjes vooruit. Computers die gebruik maken van kwantumbits – of qubits, hebben een veel hoger rekenvermogen dan traditionele computers. Maar waar komt zo’n qubit vandaan? Deze moet net als een gewone bit worden gecreëerd. In klassieke computers zitten de logische bits in een fysieke opslag; zoals in usb-sticks in de lading van een condensator en in andere geheugens in de stand van een transistor. Bij kwantumbits moet je denken aan heel kleine geïsoleerde energiesystemen, een klein ‘pakketje’ waarmee je iets kunt doen en waaraan je informatie kunt geven in de vorm van een ‘1′ of een ‘0′. Dat kan bijvoorbeeld de spin van elektronen zijn (opwaarts of neerwaarts), maar ook de spin van een atoomkern of de eigenschappen van fotonen. Om iets te kunnen doen met deze fenomenen, zul je ze op één of andere manier moeten kunnen beheersen en manipuleren. Als je het spingedrag van elektronen wilt gebruiken, zul je de richting van de spin moeten kunnen bepalen en veranderen, zodat daarmee een stroom van enen en nullen kan worden geprogrammeerd. Maar elektronen zijn moeilijk te vangen en in het gareel te houden en te controleren. Zeker om een schaalgrootte te bereiken waarmee een kwantumcomputer kan concurreren met een normale computer is nog veel ontwikkeling nodig.

Versleutelen

QuTech in Delft is een van de belangrijkste onderzoeks- en ontwikkelingsinstituten op het gebied van kwantumtechnologie. Raymond Schouten van QuTech denkt dat het nog heel wat jaren zal duren voor een universele kwantumcomputer beschikbaar is. De ontwikkeling van kwantuminternet daarentegen is verder op gang. "Op korte termijn is het versleutelen van gevoelige informatie met behulp van kwantumcommunicatie veelbelovend. Deze toepassing maakt gebruik van het kwantumfenomeen verstrengeling, waarbij het gedrag van twee kwantumdeeltjes op afstand van elkaar met elkaar verbonden is." Volgens Schouten is het versturen van sleutels via een kwantuminternet op korte termijn haalbaar omdat er slechts een klein aantal verstrengelde qubits nodig is. "Het is moeilijk een goede verstrengeling te maken. Maar voor het versturen van sleutels heb je maar tientallen qubits nodig. De verstrengelde qubits worden verzonden, de andere partij leest de sleutel uit en daarbij vervalt de verstrengeling." Sleutels kunnen niet in handen vallen van een derde partij, want zou een sleutel ook door anderen worden onderschept, dan wordt de verstrengeling verbroken. En de ontvanger kan dat detecteren."

Afbeelding 1: Koelmachine (tot -273 °C). (foto: QuTech, Vandersypen-lab) 

Absoluut nulpunt

Schouten en collega’s ontwikkelen bij QuTech testapparatuur, onder meer om het gedrag van enkele elektronen te kunnen volgen en manipuleren. Er wordt veelal gewerkt bij temperaturen dicht tegen het absolute nulpunt (-273 °C). "Bij een hogere temperatuur bewegen deeltjes meer; elektronen blijven bij lagere energieniveaus rustiger zitten. Het is dan gemakkelijker het gedrag van enkele elektronen te volgen en te manipuleren." Er staan momenteel zo’n twintig tot dertig kostbare koelmachines bij QuTech die tot dichtbij het absolute nulpunt kunnen koelen. "Dit is commercieel beschikbare apparatuur, maar bij schaalvergroting zou een meervoud van deze koelmachines en bijbehorende apparatuur nodig zijn (afbeelding 1 en 2). Er wordt dan ook hard gewerkt aan compactere en opschaalbare apparatuur die meer integratie mogelijk maakt."

Afbeelding 2. Meetapparatuur. (foto: QuTech, Vandersypen-lab)Afbeelding 2. Meetapparatuur. (foto: QuTech, Vandersypen-lab)

Controleren

"Om elektronen te kunnen controleren en het gedrag uit te lezen, gebruiken we een chip op een printplaat die in de koelmachine is geplaatst." Elektronen worden gepositioneerd door een spanning aan te brengen op nabijgelegen gates. (zie figuur 3). Met behulp van een arbitrary waveform generator (AWG) kan de positie van de elektronen worden gemanipuleerd. QuTech ontwikkelde speciaal voor dit doeleinde een waveform generator met een korte vertraging. "De AWGs die commercieel beschikbaar zijn hebben een te lange reactietijd om te corrigeren. Onze QWG heeft een maximale reactietijd van 50 nanoseconde, dan is de correctie snel genoeg en wordt de verstoring nog niet te groot." Een eveneens door QuTech ontwikkelde Vector Switch Matrix geeft ieder kwantumbit zijn eigen set RF bursts waardoor de hoeveelheid benodigde RF apparatuur sterk afneemt. (zie figuur 4) 

Figuur 4. De VSM Vector Switch Matrix geeft ieder kwantumbit zijn eigen set RF bursts waardoor minder RF apparatuur nodig is. (beeld: QuTech, DiCarlo-lab)

   

Verstoring

Schouten ontwikkelde ook apparatuur om het gedrag van de elektronen in deze meetopstellingen in te stellen en uit te kunnen lezen. "We meten met behulp van een sensor de verandering in weerstand als er een elektron beweegt. Er is commerciële apparatuur beschikbaar die heel nauwkeurig de weerstandsverandering kan meten. Maar door de ingebouwde, vaak digitale, circuits die nodig zijn om een zo grote nauwkeurigheid te verkrijgen, is de verstorende terugwerking te hoog voor ons gevoelige proces. Een commerciële meter die op nanovoltschaal werkt, heeft een terugwerkende storing van tientallen millivolts. Bij een dergelijke spanning gaan onze chips zelfs stuk. Omdat we in onze meting alleen hoeven te weten òf er een elektron passeert en niet hoe groot de intensiteit exact is, hebben we die nauwkeurigheid niet nodig. Met andere woorden, we accepteren de onnauwkeurigheid om terugwerkende storing te voorkomen. We gebruiken geen geschakelde circuits, alles is analoog ontworpen om digitale verstoringen te voorkomen. De apparatuur, genaamd IVVI-rack en SPI-rack, werkt op batterijen en de signalen die naar buiten komen, worden galvanisch geïsoleerd. Een van de technieken die worden toegepast om sensoren uit te lezen is RF reflectometry. Eén passerend elektron zorgt voor een weerstandsverandering van ongeveer één procent in de sensor. Met behulp van reflectometry kunnen energieniveaus tot femtowatt worden uitgelezen. Om de signalen uit te kunnen lezen zijn speciale versterkers nodig die bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt werken. Ook zijn verzwakkers nodig die de ruis van de RF-input onderdrukken bij het aansturen van de qubits.

Beheersen

Er is nog veel ontwikkeling nodig om de mogelijkheden die de kwantummechanica biedt volledig te benutten. Technologisch is het ingewikkeld om kwantumdeeltjes te beheersen. QuTech gaat verder met haar werk op het gebied van kwantumtechnologie en de ontwikkeling van test en meetapparatuur voor de toepassingen. Schouten: "de grootste uitdaging is op dit moment de opschaalbaarheid. We hebben aangetoond dat we kwantumdeeltjes kunnen beheersen, maar de schaal moet omhoog om er echt iets aan te hebben."

Verstrengeling & superpositie

Superpositie houdt in dat zolang er niet aan kwantumdeeltjes gemeten wordt, de toestand van de deeltjes onbepaald is. Dit gegeven wordt toegepast in de ontwikkeling van kwantumcomputers. Terwijl klassieke bits òf een 0 òf een 1 zijn, is een kwantumbit zowel een 0 als een 1 tegelijkertijd, totdat er aan de deeltjes gemeten wordt. Dit gegeven zorgt ervoor dat er exponentieel meer combinaties van enen en nullen mogelijk zijn na slechts één cyclus. (zie figuur 5). Op het eerste gezicht zou je hier niets aan hebben, omdat je niet weet welke qubit een nul of een 1 is. Slimme wetenschappers hebben echter algoritmes ontwikkeld waarmee ze de superposities toch kunnen benutten.

Figuur 5 en 5b. Voordeel van qubits. (beeld: QuTech, Fabio Sebastiano)  

Verstrengeling (zie figuur 6) is het fenomeen waarbij twee kwantumdeeltjes op afstand van elkaar toch met elkaar verbonden zijn. Het gedrag van het ene deeltje kan niet los van het andere worden beschreven. Verstrengeling ontstaat bijvoorbeeld door deeltjes zo sterk te koppelen dat hun energievelden gaan overlappen. Kwantumverstrengeling heeft twee essentiële aspecten voor communicatie via kwantumnetwerken. De verstrengeling is per definitie ‘privé’. Als twee kwantumdeeltjes in een netwerk maximaal verstrengeld zijn, dan is deze verstrengeling volgens de wetten van de kwantum mechanica compleet afgeschermd van alles in het universum. Bovendien zorgt kwantumverstrengeling voor maximale correlatie. Als je gaat meten aan twee verstrengelde qubits, komt daar altijd hetzelfde resultaat uit, hoe ver de twee ook uit elkaar zijn. Er kan gebruik gemaakt worden van kwantum netwerken voor bijvoorbeeld veilige communicatie door kwantum versleuteling of het synchroniseren van klokken.

Figuur 6. Verstrengeling – twee kwantumdeeltjes zijn op afstand van elkaar toch met elkaar verbonden. Het gedrag van het ene deeltje kan niet los van het andere worden beschreven. Zodra aan het ene deeltje gemeten wordt, verandert de toestand van het andere deeltje. (beeld: Nederlands tijdschrift voor Natuurkunde)