Een team van wetenschappers aan de Harvard University heeft een belangrijke stap gezet in de ontwikkeling van quantumcomputers. Voor het eerst slaagden zij erin om moleculen te gebruiken als bouwstenen, of qubits, in een quantumcomputer. De resultaten, gepubliceerd in Nature, tonen aan dat de complexe interne structuur van moleculen niet langer een obstakel vormt, maar juist nieuwe mogelijkheden biedt.

Quantumcomputers maken gebruik van qubits, die anders dan de bits in klassieke computers niet beperkt zijn tot 0 of 1, maar zich tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen bevinden. Deze eigenschap, superpositie genoemd, geeft quantumcomputers hun rekenkracht. Tot nu toe werden qubits gevormd door eenvoudige systemen, zoals ionen of atomen, omdat moleculen als te complex en instabiel werden beschouwd.
De Harvard-onderzoekers, geleid door professor Kang-Kuen Ni, wisten deze uitdaging te overwinnen door natrium-cesium (NaCs) moleculen vast te houden in een ultrakoude omgeving met behulp van optische pincetten. Door moleculen in zulke gecontroleerde omstandigheden te manipuleren, konden zij een kwantumlogische poort bouwen en moleculen verstrengelen (quantum entanglement), oftewel verweven. Dit verweven is de kern van de kracht van quantumcomputers, omdat het toestanden van qubits koppelt, zelfs als ze ver van elkaar verwijderd zijn.
De laatste bouwsteen
Het team gebruikte de interacties tussen de positieve en negatieve ladingen (dipolen) van de moleculen om een zogenoemde iSWAP-kwantumlogische poort te creëren. Deze poort wisselt de toestanden van twee qubits uit en past een faseverschuiving toe, een essentiële stap in het genereren van verweving. Ze bereikten een nauwkeurigheid van 94 procent in het creëren van een tweemoleculair Bell-toestand, een van de fundamentele verweven toestanden.
Volgens co-auteur Annie Park is dit werk “de laatste bouwsteen die nodig is om een moleculaire quantumcomputer te bouwen.” Moleculen bieden dankzij hun rijke interne structuur unieke mogelijkheden, zoals nucleaire spins, die met traditionele qubits niet mogelijk zijn.
Doorbraak na jaren onderzoek
Het idee om moleculen te gebruiken in quantumcomputing bestaat al sinds de jaren negentig, maar eerdere pogingen liepen vast vanwege de instabiliteit van moleculen. Hun complexe bewegingen verstoorden de coherentie, de delicate kwantumtoestand die nodig is voor betrouwbare berekeningen. Door moleculen echter in ultrakoude omstandigheden te vangen en hun bewegingen te minimaliseren, konden de onderzoekers deze problemen overwinnen.
Met behulp van precisielasers werd niet alleen de moleculaire beweging beperkt, maar konden de onderzoekers ook nauwkeurig de kwantumtoestanden manipuleren. Het experiment leverde niet alleen een functionerend systeem op, maar ook inzichten in hoe de nauwkeurigheid en stabiliteit verder verbeterd kunnen worden.