Met behulp van ‘stikstofgaten’ in diamantjes, bij wijze van kwantumbits, zou een stabielere kwantumcomputer te bouwen zijn (afb: MIT)
Ik schrijf ze maar braaf op, al die stukjes hoe de kwantumcomputer weer wat dichter bij de werkelijkheid zou zijn gekomen, maar of het echt helpt weet ik natuurlijk niet. Ik heb nergens echt verstand van en al helemaal niet van die ‘rare’ kwantum-mechanica. Nu melden twee onderzoekers van het MIT in Cambridge (VS) weer dat hun vinding dat onbegrijpelijke kwantumfenomeen superpositie zou kunnen stabiliseren, waardoor het kwantumrekentuig weer een stapje dichterbij zou zijn gekomen. Hun truc met diamantjes met een zogenaamd ‘stikstofgat’ zou de superpositietijd met een factor duizend verlengd hebben.
Superpositie is in de kwantummechanica het fenomeen dat een kwantumdeeltje meer dan in een kwantumtoestand tegelijk kan verkeren. Die eigenschap zou een kwantumcomputer fenomenale rekencapaciteiten geven, is de hoop van sommige onderzoekers, maar superpositie is een fragiele toestand en het zou al heel wat zijn als die wankele toestand ietwat gestabiliseerd zou kunnen worden. De onderzoekers van MIT bouwden met behulp van synthetische diamantjes met een ‘stikstofgat’ een superpositiestabilisator.
In de techniek wordt in dat soort gevallen gebruik gemaakt van terugkoppeling, waarbij op basis van metingen een correctie wordt uitgevoerd. Het nare in de kwantumwereld is dat meten de kwantumtoestand verstoort. Dus lijkt deze aanpak daar onbruikbaar. “Mensen gebruiken dan vaak een open-lussturing”, zegt onderzoekster Paola Cappelaro. “Je bepaalt van tevoren hoe je het systeem wilt bijsturen en dan hoop je dat het goed komt. Terugkoppeling is beter, omdat daar dingen aangepast worden die mis gaan.”
Cappelaro en Masahi Hirose, tegenwoordig werkzaam bij McKinsey in Tokio, hebben een terugkoppelingssysteem bedacht om superpositie te handhaven, waarbij geen meting nodig is. Cappelaro: “In plaats van een klassiek regelsysteem voor de terugkoppeling, gebruiken we een kwantumregelaar. Die hoeft niet te meten om te weten wat er aan de hand is.”
Diamantjes
Praktisch betekent dat ze een diamantje gebruikten met een zogeheten ‘stikstofgat’. Diamant bestaat uit koolstofatomen. Als er een koolstofatoom mist, dan zit daar een ‘gat’. Als daarnaast in plaats van een koolstofatoom een stikstofatoom zit, dan heb je je ‘stikstofgat’. Als dat diamantje in een sterk magneetveld wordt geplaatst dan kan, zo vertelt het persbericht, de elektronspin van het ‘stikstofgat’, in feite de magnetische oriëntatie, naar boven of beneden wijzen en in kwantumsuperpositie dus allebei de kanten op. Het ‘stikstofgat’ is in dit geval een kwantumbit.
Die ‘stikstofgaten’ hebben als kwantumbits verschillende voordelen boven andere kandidaat-kwantumbits. Zo’n ‘gat’ is een intrinsieke eigenschap van de natuurkundige structuur en hebben daarom geen ingewikkelde ingrepen nodig om ionen of atomen te ‘vangen’ zoals bij andere kandidaten. De ‘gaten’ zenden ook licht uit, waardoor ze makkelijk uitleesbaar zijn. Ook die lichtdeeltjes kunnen in superpositie verkeren, waardoor er vanzelf een manier is om kwantuminformatie te verplaatsen.
Ook atoomkernen hebben een spin en het tweetal gebruikte de kernspin van het stikstofatoom om de elektronspin van het ‘stikstofgat’ te sturen. Eerst wordt die elektronspin door microgolven in superpositie gebracht. Vervolgens moet radiofrekwente straling de stikstofkern in een bepaalde spintoestand brengen. Een tweede mildere ‘stoot’ microgolven verstrengelt de kernspin en de elektronsping van het ‘stikstofgat’. Nu kan de kwantumbit (het ‘stikstofgat’) met andere kwantumbits aan het rekenen slaan. In hun experimenten keken de onderzoekers echter maar naar een enkele kwantumbit, zodat ze alleen maar de simpelste ‘berekening’ konden testen: het omklappen van de bitwaarde.
Doordat de kernspin en de elektronspin van het ‘stikstofgat’ verstrengeld zijn, nog zo’n maffe kwantumeigenschap, wordt vanzelf duidelijk als er iets mis gaat tijdens de berekening. Dat is af te lezen een de kernspin van het stikstofatoom.
Na de berekening ‘ontstrengelt’ een stoot microgolven de kernspin en de elektronspin. Vervolgens wordt het systeempje weer blootgesteld aan een reeks microgolfstoten. Die zijn zo berekend dat hun effect op het ‘stikstofgat’ afhankelijk is van de toestand van de atoomkern. Als er tijdens de berekening iets misgegaan is, dan corrigeren de microgolven dat, zo niet dan blijft het ‘stikstofgat’ onveranderd. Het lijkt me allemaal vrij omslachtig, maar, zoals al gezegd, ik ben een leek op elk gebied.
Bron: Science Daily