Een stukje erbium (afb: WikiMedia Commons)

Het idee was dat kwantumbits, die nogal gauw uit hun ‘doen’ zijn, met uiterste omzichtigheid en zorgvuldigheid omringd moeten worden, maar het tegendeel (b?)lijkt waar. Gooi een zooitje zeldzame aarden bij elkaar, maar er een kristal van en je zou heel degelijke kwabits krijgen.
Kwabits maken is nog niet zo makkeiijk want de minste of geringste storing kan al desestreus zijn voor zijn rekencapaicteit. Foutcorrectie is dan ook een belangrijke tak van onderzoek op het gebieden van kwantumrekenen. Het komt er allemaal niet zo nauw op aan ontdekten onderzoekers van het Paul Scherrerinstituut, de ETH in Zürich en de EPF in Lausanne (alle in Zwitserland).
“In plaats van steeds meer verdunnen hebben een nieuwe manier gevonden waarbij we de kwabits compacter kunnen samenpersen”, zegt Gabriel Aeppli, die aan alle drie instellingen verbonden is. De onderzoekers maakten vastestofkwabits van yttriumlithiumfluoride dat ‘vervuild’ was met erbium. In een dicht kristal met zeldzame-aardeionen kregen ze ‘stabielere’ (coherentere in kwantumtaal) dan verwacht mocht worden in zo’n dichtgepakt systeem.
“Voor een gegeven kwabitdichtheid blijkt het een veel effectievere strategie om de zeldzameaarde-ionen er in te gooien en de ‘diamanten’ uit de troep te vissen dan de afzonderlijke ionen van elkaar te scheiden door verdunning”, zegt medeonderzoeker Markus Müller.
Bij kwabits van zeldzameaardeionen worden de eigenschappen van de afzonderlijke ionen, zoals de kernspin, gebruikt om een superpositie te verwezenlijken, een situatie waarin het ion zowel in de 1- als de 0-toestand van de kernspintoestand kan verkeren (en niet óf 0 óf 1 zoals in de digitale computer). Die superpositie zou kwantumcomputers de grote mogelijkheden geven die dit type rekentuig worden toegedicht.

Wisselwerking

De oorzaak dat deze hutseklutsmethode zo’n goed resultaat oplevert is dat de kwabits daarin gevormd worden door twee stevig wisselwerkende erbiumionen. In plaats dat de kernspin van de afzonderlijke ionen als ‘rekeneigenschap’ gebruikt wordt ontstaan er superposities van verschillende elektronenschiltoestanden. In een kristal vormen maar enkele terbiumionen paren in een ‘zee’ van yttriumlithiumfluoride. Dat gebeurt als je maar genoeg ionen bij elkaar stopt. Die paren komen weinig door en zijn daardoor dus vanzelf al ‘verdund’ (van elkaar verwijderd).

De vraag is hoe het komt dat deze kwabits weinig last zouden hebben van hun omgeving (die ‘diamanten’) die ze beschermt tegen ‘stoorzenders’. Müller: “Als je een enkel terbiumatoom/-ion aanslaat (in een hogere energietoestand brengt; as) dan kan dat makkelijk naar een ander terbiumatoom/-ion springen. Dat veroorzaakt decoherentie (is de kwabit uit zijn ‘doen’; as). Als je dat bij een paar doet, die verstrengeld zijn, hebt je het over een andere energie en is er van overspringen geen sprake. Dan zou je een tweede paar moeten vinden maar dat is erg ver weg.” Dus krijg je een, bijna een contradictio in terminis (tegenspraak in de uitsrukking), stabiele kwabit.
Om de kwabits nog beter te beschermen gebruikten de onderzoekers een magneetveld om precies het effect van de kernspin van terbium in de paren ‘weg te poetsen’. Dit resulteerde in in feite niet-magnetische kwabittoestanden, die maar weinig gevoelig zijn voor storingen door kernspins en willekeurige atomen in de omgeving. Met die extra bescherming hadden de kwabitparen een levensduur die honderden malen langer was dan van afzonderlijke ionen in hetzelfde materiaal. Aeppli denkt zelfs met de juiste materialen zou de coherentietijd nog langer kunnen zijn.

Bron: Science Daily