Utrechtse natuurkundigen zetten stap naar realiseren van qubits

De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Materials. 

"Bij de ontwikkeling van kwantumcomputers komen een paar grote uitdagingen kijken. Een van de belangrijkste problemen is de zogenaamde kwantumdecoherentie: informatie gaat verloren in de omgeving. Hierdoor is het moeilijker om elektronica op kwantumniveau te ontwerpen dan op klassiek niveau. Daarom hebben we elektronen gecreëerd die bestand zijn tegen deze decoherentie," licht  Cristiane Morais Smith toe.

Kunstmatige moleculen maken

"Normale moleculen die je in de natuur aantreft hebben vaak interessante eigenschappen, maar het duurt lang voordat je er een vindt met precies die eigenschappen waar je naar op zoek bent. Daarom zijn we deze materie zelf gaan aanpakken," zegt theoretisch natuurkundige Sander Kempkes. De onderzoekers creëerden kunstmatige moleculen met uitsluitend een scanning tunneling-microscoop, een koperen plaatje en een aantal koolmonoxide moleculen, die op een afstand van 1 nanometer van elkaar werden geplaatst.

Donut

De onderzoekers slaagden erin om zeer robuuste hoektoestanden te creëren die door de symmetrieën van het zelfgemaakte molecuul worden beschermd. Je kunt het gat van een donut niet verwijderen, tenzij je hem doorsnijdt. Op dezelfde manier kun je deze hoektoestanden niet verwijderen zonder iets drastisch aan het systeem te veranderen. Wegens de extreem nauwkeurige en gecontroleerde manier waarop het molecuul op nanometerschaal is gecreëerd, zijn de onderzoekers erin geslaagd om te bevestigen dat de hoektoestanden tegen defecten bestand zijn. Hoewel deze toestanden nog niet klaar zijn voor het gebruik als qubits, is het een belangrijke stap in de richting van het creëren hiervan in kunstmatige systemen.

Kagome patroon in een gevlochten mand 

Japans patroon

De onderzoekers haalden hun inspiratie uit het zogenaamde kagome-patroon, een patroon uit Japan dat bestaat uit drie- en zeshoeken. Er bestaan materialen die deze specifieke vorm hebben, maar niet precies zoals de onderzoekers wilden. Om deze reden ontwierpen theoretische natuurkundigen een nieuw kagome-molecuul op de computer. Hierna hebben de experimentele natuurkundigen in het lab van Ingmar Swart en Daniel Vanmaekelbergh het molecuul op experimentele wijze weten te realiseren. Zij hadden dezelfde technieken al eerder gebruikt om elektronische roosters te maken in verband met supermaterialen en kwantumfractalen.

Muffinvorm

"Het manipuleren van een koolmonoxidemolecuul kun je zien als het verschuiven van de koningin op een schaakbord, maar dan op nanometerschaal en met een naald in plaats van met je vinger," aldus experimenteel natuurkundige Marlou Slot. De hele procedure is alsof je een omgekeerde muffinvorm (koningin) met de gewenste geometrie creëert voor de elektronen die rondzweven. De muffinvorm dwingt de elektronen in de vorm die de onderzoeker wil, klaar om te bakken en op te dienen. Alhoewel, we moeten het ‘muffins bakken’ hier niet te letterlijk nemen, want het proces vindt plaats bij -269 graden Celsius. Eet smakelijk!