Een van de vele obstakels op de weg naar een functionerende kwantumcomputer is de kwantumbit, de kwantumversie van de digitale bit. Die worden in allerlei soorten en smaken gemaakt, maar dan toch vooral door wetenschappelijke instituten en op kleine schaal. Europa schijnt zich ook op het kwantumrekentuig geworpen te hebben in samenwerking met het Franse bedrijf CEA-Leti, dat elke dag plakjes met talloze transistoren fabriceert, die, onder meer, in computers en telefoons worden gebruikt. Onderzoekers van het Niels Bohrinstituut in Kopenhagen hebben nu ontdekt dat die industrieel geproduceerde siliciumplakken bruikbaar zijn als kwantumbitmedium. Is het zo makkelijk? Kennelijk.
In feite bevat zo’n plak kwantumstippen. “Wat we hebben aangetoond is dat we een enkel elektron in elke van die kwantumstippen kunnen sturen”, zegt Fabio Ansaloni. “Dat is erg belangrijk voor de ontwikkeling van een kwantumbit. Een van de mogelijke manieren zoiets te maken is de spin van een enkel elektron te gebruiken. Zo kunnen we afzonderlijke elektronen sturen in een vlak van kwantumstippen. Dat was erg belangrijk voor ons.”
Elektronspins zouden als kwantumbits voordelen hebben boven, bijvoorbeeld, fotonen of atomen. Ze zouden ‘rustig’ van aard zijn waardoor ze niet heftig reageren op een ‘verwar(ren)de’ omgeving. Het grote probleem met kwantumbits is dat die nogal gestoord worden door hun omgeving. Nu zou de tweede dimensie (het vlak) zijn toegevoegd aan de processoren voor kwantumrekentuigen. Dat zou het makkelijker maken fouten in die kwabits te corrigeren.

“Het oorspronkelijke idee was een raster van spinkwabits te maken”, zegt medeonderzoeker Anasua Chatterjee, “en vervolgens de elektronen te sturen. Het is daarom geweldig dat Leti monsters kon leveren die we hebben gebruikt en waarmee we dit resultaat hebben bereikt. Geld van, onder meer, de EU heeft het ons mogelijk gemaakt van een kwantumstip naar een tweedimensionaal raster te gaan. Dan begint het te lijken op iets dat je nodig hebt om een kwantumcomputer te bouwen.”

Langzaam

Dat is een geleidelijke ontwikkeling geweest. In 2015 slaagden onderzoekers er in Grenoble in om de eerste spinkwabit te maken, maar die werkte met ‘gaten’ (het ontbreken van elektronen) en niet met elektronen. De resultaten daarvan waren niet optimaal.
Het voordeel van de jongste ontwikkeling is dat je de componenten in een ‘normale’ fabriek kunt maken, stellen de onderzoekers. Je hebt volgens hen een tweedimensionaal kwabitsysteem nodig, waarbij elke bit met de ‘buitenwereld’ verbonden moet worden. Als je met vier of vijf verbindingen per kwabit werkt krijg je een onhandig aantal draden in een lage-temperatuur-omgeving. “We hebben aangetoond dat je een poort per elektron kan hebben. Via dezelfde poort kun je die ook uitlezen en sturen. Een prestatie op zich”, kloppen de onderzoekers zichzelf op de borst.

Het corrigeren van fouten op die uiterst gevoelige kwantumonderdelen is een hoofdstuk op zich. De hedendaagse digitale rekentuigen maken voortdurend fouten, maar die worden door een zogeheten herhaalcode (repetitiecode) ook voortdurend gecorrigeerd. Je doet het gewoon nog een keer en kijkt of je dezelfde uitkomst krijgt.
Dat is met een kwantumsysteem niet goed mogelijk, aangezien je geen exacte kopie kunt maken van een kwantumbit (een digitale bit kan slechts 0 of 1 zijn, een kwabit in feite een oneindig aantal waarden). Hedendaagse kwabits zijn alles behalve foutvrij, maar als je er maar genoeg bij elkaar hebt, dan kunnen ze elkaar controleren, stellen de onderzoekers. Dat zou nog een voordeel zijn van de tweede dimensie.

Met zo’n kwantumcomputer heb je geen magneetveld nodig. De volgende stap die de onderzoekers willen zetten is te kijken wat een magneetveld vermag. Dat zou essentieel zijn om poorten met een en met twee kwabits te verkrijgen tussen de enkele kwabits in het raster. Volgens de theorie zou een paar één- en tweekwabitspoorten, het volledige stel kwantumpoorten genoemd, voldoende zijn om een universele kwantumcomputer te maken.

Als je hier nu denkt ‘Waar heeft hij het over?’, dan moet ik je bekennen dat dat bij mij ook zo is. Alles wat ik uit dit bericht opmaak is dat de industriële kwantumcomputer weer een stapje dichter is bij verwezenlijking (maar dat schrijf ik op gezag van externe bronnen al jaren).

Bron: EurekAlert