De ongekende mogelijkheden van quantumcomputers worden vooralsnog beperkt doordat informatie-uitwisseling tussen de bits in zo’n computer moeizaam is, vooral over grotere afstanden. Lieven Vandersypen, professor bij QuTech en werkgroepleider bij FOM, is er samen met zijn collega’s voor het eerst in geslaagd om twee niet-naburige quantumbits in de vorm van elektron-spins in halfgeleiders met elkaar te laten praten. Zij publiceren hun onderzoek op 10 oktober in Nature Nanotechnology.
Informatie-uitwisseling is iets waar we nauwelijks nog bij stilstaan. Mensen communiceren voortdurend via e-mails, whatsappjes en telefoontjes. In feite zijn het de bits in verschillende computers die dan met elkaar praten. “Voor een gewone computer is dat geen enkel probleem”, zegt prof.dr.ir. Lieven Vandersypen. “Maar voor een quantumcomputer – die in potentie vele malen sneller is dan de huidige computers – is juist die informatie-uitwisseling tussen de quantumbits erg ingewikkeld, vooral over langere afstanden.”
Elektronen praten met elkaar
Binnen Vandersypens onderzoeksgroep hebben promovendus Tim Baart en postdoc Takafumi Fujita zich beziggehouden met communicatie tussen quantumbits. Elke bit bestaat uit een enkel elektron met een spin-richting (spin-up = ‘0’ en spin-down = ‘1’). “Uit eerder onderzoek was bekend dat twee naburige elektron-spins met elkaar kunnen interacteren, maar deze interactie nam sterk af met hun onderlinge afstand”, vertelt Baart. “Ons is het nu voor het eerst gelukt om twee niet-naburige elektronen met elkaar te laten praten. Daarvoor hebben we een quantumonderhandelaar gebruikt: een object dat de informatie tussen de twee spins op grotere afstand kan uitwisselen.”
Onderhandelaar
Baart en Fujita positioneerden de elektronen in zogenoemde quantumdots, waar ze op hun plaats worden gehouden door een elektrisch veld. Tussen de twee bezette quantumdots zit een lege quantumdot die een energiebarrière kan vormen tussen de beide spins. “We kunnen het elektrisch veld rond de lege quantumdot zo instellen dat de elektronen hun spin-informatie gaan uitwisselen, via het zogenoemde super-exchangemechanisme: als we de energiebarrière verlagen, verwisselt de spininformatie van plaats”, zegt Baart. “Zo maakt de lege quantumdot als een soort onderhandelaar interactie mogelijk tussen de quantumbits. Die interactie kunnen we bovendien naar wens aan- of uitzetten.”
De chip met de elektrische contacten waarmee de quantumdots werden gecreëerd.
Snelle quantumcomputer
Het onderzoek van Vandersypen en Baart vormt een belangrijke stap in het bouwen van een grotere quantumcomputer waarin de communicatie tussen quantumbits over grote afstanden essentieel is. Nu het principe van deze quantumonderhandelaar in de praktijk is aangetoond, willen de onderzoekers de afstand tussen elektron-spins vergroten en tevens andere typen ‘onderhandelaars’ plaatsen tussen de quantumbits.
Tim Baart promoveerde op 23 mei 2016 op onder andere deze technologie. Zijn onderzoek werd gefinancierd door het NWO Graduate Program. Voor de fabricage van de chip hebben de Delftse onderzoekers nauw samengewerkt met de ETH in Zürich.
Meer informatie
Prof. Lieven Vandersypen, QuTech/TU Delft. +31 (0)15 278 2469, L.M.K.Vandersypen@remove-this.tudelft.nl
