Kwantumcomputer een stap dichterbij

Kwantumcomputers zijn al jaren de heilige graal van het computeronderzoek. Het concept van zo'n computer werd al in het begin van de jaren tachtig bedacht door de Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman en door anderen verder uitgewerkt. Door gebruik te maken van kwantumeffecten als verstrengeling en superpositie, die een elektron of foton onder bepaalde omstandigheden kunnen vertonen, kan theoretisch zeer snel parallel worden gerekend, bijvoorbeeld aan complexe wetenschappelijke vraagstukken. Theoretisch, want de praktijk is nogal weerbarstig. Het manipuleren en meten van kwantumeffecten blijkt nog niet zo simpel.

In de voorbije jaren konden wetenschappers van de TU Delft al wel één enkel elektron opsluiten in een zogeheten 'kwantumdoosje' (of kwantumdot). De spin van zo'n elektron dient daarbij als kwantumbit (qubit), een binaire eenheid. De spin is eigenlijk niets anders dan de draairichting van het elektron. Draait het elektron de ene kant op, dan spreekt men van een spin-up elektron; draait het de andere kant op, dan heet het een spin-down elektron. Deze draairichtingen zijn de '0' of '1' in een qubit.

Wegspringen

Het was al langer mogelijk om de spin van één elektron in een qubit uit te lezen; de TU Delft slaagde hier als eerste in. Men was ook de eerste die een enkele spin wist te manipuleren. Nu is een team onderzoekers onder leiding van Lieven Vandersypen van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft er ook in geslaagd om de toestand van twee spins uit te lezen. "Het is voor het eerst goed gelukt in januari of februari 2011", zegt Vandersypen tegen Webwereld. "Daarna hebben we nog bijkomende metingen gedaan voor onze wetenschappelijke publicatie."

Voor het experiment creëerden de onderzoekers twee kwantumdots, met in beide een opgesloten elektron. De uitlezing gebeurde door elk elektron al dan niet uit de dot te laten wegspringen, afhankelijk van zijn spintoestand. Met een ladingsmeter konden de onderzoekers nagaan of het elektron wegspringt, en ook wat de spintoestand was.

Iedere uitlezing gaf de toestand van allebei spins weer. Twee verstrengelde spins kunnen namelijk niet los van elkaar gezien worden: hun toestanden zijn met elkaar verbonden, ook als ze zich op grote afstand van elkaar bevinden.

Betrouwbaarheid

Om te meten moest men de spins voor een korte tijd (zo'n 10 nanoseconden) dichter bij elkaar brengen, zodat ze elkaars invloed voelden en hun spintoestand deels of geheel werd uitgewisseld. Met de huidige metingen werd zo een uitleesbetrouwbaarheid van 86 procent gerealiseerd. "De belangrijkste reden is dat de meting tijd vraagt", zegt Vandersypen. "Tijdens de meting kan een toestand van een spin namelijk vervallen naar de grondtoestand."

Honderd procent betrouwbaarheid is niet nodig, maar het percentage moet wel omhoog, zegt Vandersypen: "Dat kunnen we doen door sneller te meten, waardoor de spintoestand niet verandert. We kunnen de gevoeligheid van de detector opvoeren die op de chip zit naast een kwantumdot, of door nieuwe versterkers te ontwikkelen. Voor beide oplossingen hebben we concrete ideeën."

Als het mogelijk is om dubbele (of nog uitgebreidere) qubits uit te lezen zou een functionerende kwantumcomputer in het verschiet kunnen liggen, zegt Vandersypen.