Onderzoekers van IMO-IMOMEC, het geïntegreerd onderzoeksinstituut van de Universiteit Hasselt en imec, zijn er in geslaagd om zogenaamde ‘qubits’ te maken uit artificiële diamanten. “Kwantumbits zijn de bouwstenen voor kwantumcomputers en kwantumtechnologie en kunnen massa’s informatie verwerken”, zegt prof. dr. Milos Nesladek. “Grootste voordeel van onze diamanten qubits is dat ze elektrisch leesbaar zijn en op kamertemperatuur kunnen werken, daarmee zetten we een nieuwe stap naar hoogtechnologische toepassingen.” Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Science Magazine.
prof. dr. Milos Nesladek
“Kwantumtechnologie is dé technologie van de toekomst”, zegt prof. dr. Milos Nesladek, die dit onderzoek van UHasselt en imec coördineerde. “Net als een bit bij een computer, bevatten qubits informatie. Alleen verwerken qubits exponentieel meer informatie dan bits. Daarom zal een kwantumcomputer met kwantumbits ontelbaar meer rekenkracht hebben dan een gewone computer. In kwantumsensoren zullen deze qubits zorgen voor veel accuratere analyses en in kwantumcommunicatie, zoals quantum-internet, kunnen qubits dan weer zorgen voor een veiligere informatie-uitwisseling met boodschappen die niet te kraken zijn.”
Diamanten qubits
Maar voor al deze toepassingen is er nog een lange weg te gaan.
“Wetenschappers over de hele wereld zijn nog op zoek naar de beste manier om qubits te maken én om deze met elkaar te verbinden volgens het principe van de kwantummechanica”, legt Milos Nesladek uit. De meest gebruikte qubits zijn gemaakt van supergeleidende elektronische circuits, maar deze hebben één groot nadeel: ze werken alleen bij cryogene temperaturen (-273,15°Celsius). “Binnen dit onderzoek zijn we er in geslaagd om elektrisch leesbare qubits te maken uit diamant. En, nog belangrijker, deze werken wél op kamertemperatuur. Daardoor kunnen ze veel makkelijker geïmplementeerd worden in technologische toepassingen.”
IMO-IMOMEC heeft al 30 jaar ervaring in het maken van en werken met artificiële diamanten.
“Diamant bestaat uit koolstofatomen, voor het maken van deze qubit hebben wij één van deze atomen vervangen door stikstof en een ander atoom hebben we weggelaten, zodat hier een lege ruimte in ontstond. Zo kan de diamant fungeren als kwantumbit”, zegt Milos Nesladek. Het is daarbij wel uiterst belangrijk dat de diamant ultrazuiver is (minder dan 0.1 ppb onzuiverheid).
Verder onderzoek nodig
“Er is natuurlijk nog veel verder onderzoek nodig om te komen tot echte technologische toepassingen. Zo moeten we nu een manier vinden om de verschillende diamanten qubits met elkaar te verbinden met zogenaamde kwantumlinks, dit proces wordt ook wel ‘kwantum-entanglement’ genoemd. Maar de eerste stap is in ieder geval gezet”, zegt Milos Nesladek. “De mogelijkheden liggen hiermee open. Zo zou deze technologie uiteindelijk kunnen leiden tot kwantumsensoren voor satellieten die elektromagnetische velden kunnen meten, of NMR sensoren die 1 biljoen keer gevoeliger zullen zijn dan de klassieke NMR. In de automobielsector kan deze technologie zorgen voor het zeer nauwkeurig en contactloos uitlezen van elektrische stroom in de batterijen van elektrische wagens.”
1 miljard euro
Het onderzoek naar diamanten qubits kadert binnen het Europese Quantum Flagship programma, waarbij de Europese Unie koploper wil zijn in het onderzoek naar kwantumtechnologie. Hiervoor is er door de Europese Unie 1 miljard euro vrijgemaakt om wetenschappers en bedrijven te laten werken rond kwantumtechnologie en de vele toepassingen. Dit onderzoek werd gerealiseerd met de steun van het Horizon 2020 Quantum flagship ASTERIQS project, het Diaquant onderzoek (FWO) en het project Q-MAGINE van ERANET.
Dit onderzoek is een samenwerking tussen UHasselt, imec, Universiteit Ulm, Universiteit Wenen, en de universiteit van Tsukuba, Japan. Coauteurs: Petr Siyushev*, M. Nesladek* Emilie Bourgeois, Jaroslav Hrubý, Takashi Yamamoto, Michael Trupke, Tokuyuki Teraji, Junichi Isoya, Fedor Jelezko. (*corresponding authors with the same contribution)
