Quantumberekeningen ongevoelig gemaakt voor storingen

Wetenschappers van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft en de Stichting FOM hebben samen met collega’s uit de VS een nieuwe manier gevonden om kwantumberekeningen uit te voeren die ongevoelig is voor storende omgevingsinvloeden. Dit kan een belangrijke stap zijn op weg naar een toekomstige, zeer snelle, kwantumcomputer. De onderzoekers publiceren hun resultaten in het prestigieuze tijdschrift Nature.

Kwantumdeeltjes, zoals een atoomkern of een elektron, kunnen zich in meer toestanden tegelijk bevinden. Zo kan het magnetisch moment van een elektron, de zogenoemde spin, tegelijk twee verschillende richtingen hebben. Als de spinrichting wordt gebruikt als kwantumbit in een computer, kan deze dus tegelijk 0 én 1 zijn. Dat maakt supersnel rekenwerk mogelijk. De spins zijn echter extreem gevoelig voor storingen uit de omgeving, wat vooralsnog de ontwikkeling van een grootschalige kwantumcomputer verhindert.

Kwantum-zoekmachine

De onderzoekers hebben nu een manier gevonden om de kwantumbits te beschermen tijdens het rekenen. Ze voerden met deze nieuwe methode een kwantumberekening uit met een elektronspin en een kernspin (de spin van een atoomkern). Dit gebeurde in een diamanten chip op kamertemperatuur.
Met deze twee-kwantumbit processor hebben de onderzoekers een kwantum-zoekalgoritme uitgevoerd. Dit zoekalgoritme vindt in één poging een element in een ongesorteerde database van vier elementen, terwijl een klassieke computer daar gemiddeld meer dan twee pogingen nodig heeft. Dit is een demonstratie op kleine schaal van de superieure efficiëntie van een kwantumcomputer. Tegelijk betreft het de eerste uitvoering van een kwantum-algoritme met spin-kwantumbits op een chip.

Bescherming

Twee jaar geleden liet hetzelfde onderzoeksteam in een artikel in Science al zien dat de spintoestand van een enkel elektron effectief beschermd kan worden tegen storing uit de omgeving. Door de spinrichting van het elektron met hele korte pulsen steeds om te klappen, gedraagt de spin zich alsof hij is losgekoppeld van zijn omgeving. Deze techniek is daarom ideaal voor het beschermen van kwantum-informatie die is opgeslagen in een spin. Maar een kwantumcomputer moet niet alleen informatie kunnen opslaan, hij moet er ook mee kunnen rekenen. Het toepassen van de ontkoppelingstechniek tijdens het kwantumrekenen is problematisch, omdat het elektron ook wordt losgekoppeld van alle andere kwantumbits. Berekeningen tussen kwantumbits zijn daardoor onmogelijk.

Oplossing

De onderzoekers hebben hier nu een oplossing voor gevonden. Ze bedachten een manier om het omklappen van het elektronspin heel precies te synchroniseren met de dynamica van een tweede kwantumbit, de spin van een atoomkern. Hierdoor blijft de interactie tussen de twee spins behouden, terwijl de elektronspin nog steeds goed beschermd is tegen storende omgevingsinvloeden.
Zo konden de onderzoekers een universele set van rekenoperaties van een kwantumcomputer bouwen. Deze set is de basis voor elke kwantumberekening, waardoor de elektronspin en de kernspin nu een volledig functionerende twee-kwantumbit processor vormen. De komende tijd gaan de onderzoekers de nieuwe techniek toepassen op chips met meer kwantumbits.

Het onderzoek is verricht samen met collega’s van Ames Laboratory en Iowa State University, de University of California Santa Barbara en de University of Southern California, alle in de VS. Het onderzoek aan de TU Delft werd mede mogelijk gemaakt door FOM, NWO, de Europese Commissie (Solid, Diamant) en het Darpa QuEST programma.