Meer grip op quantumbit

Verstoringen van elektronspins zijn met een wisselend magneetveld te onderdrukken, toont dr.ir. Jeroen Danon samen met collega’s aan in een Nature Physics-publicatie.

De spin van een enkel elektron kan dienen als elementaire informatie-eenheid in de quantumcomputer. Het grootste probleem daarbij is de geringe stabiliteit van de elektronspin, die al na hooguit enkele tientallen nanoseconden verstoord wordt. Het is alsof je computer crasht voordat hij is opgestart. In zijn proefschrift ‘Nuclear spin effects in nanostructures’ doet dr.ir. Jeroen Danon (Technische Natuurwetenschappen) een methode aan de hand om die stabiliteit met een factor tien te verbeteren. Een hoofdstuk hieruit werd onlangs in Nature Physics gepubliceerd.

De spintoestand van een elektron in een quantumdot - een nanostructuur waarin één of twee elektronen vastgehouden en gemanipuleerd kunnen worden - wordt verstoord door de kernspins van de omgevende atomen. Dit is een effect van hyperfijn-wisselwerking: de magnetische ruis van de kernspins in de omgeving trekt de elektronspin alle kanten op en verstoort diens quantumtoestand.

Maar omgekeerd beïnvloedt de elektronspin ook de omringende kernspins, en dat biedt mogelijkheden. Danon laat zien dat de kernspins gecontroleerd kunnen worden door een extern oscillerend magnetisch veld toe te passen waarvan de frequentie gevarieerd wordt. Resonantie van het elektron tussen de twee spintoestanden ‘op’ en ‘neer’ door toepassing van een oscillerend magnetisch veld gebruiken de onderzoekers standaard om de quantumtoestand van het elektron in de quantumdot te manipuleren. Danon schrijft dat, wanneer de resonantiefrequentie verlaagd wordt, de kernvelden actief meewerken om de elektronspin in resonantie te houden. Daartoe richten de kernspins zich één voor één dezelfde kant op, waardoor er minder willekeurige verstoring optreedt van de elektronspin. In de experimenten werd die verstoring met meer dan een factor tien verkleind. Vervolgexperimenten moeten duidelijk maken hoeveel langer elektronspins hierdoor stabiel blijven, en hoe dat effect nog te versterken is.