Wetenschap

De eerste bouwsteen van de kwantumcomputer

Delftse onderzoekers hebben een eerste stap gezet op weg naar de kwantumcomputer. Met hun flux qubit haalden ze het wetenschappelijk topblad ‘Science’.

Als duizend van deze qubits achter elkaar worden geschakeld, is de kwantumcomputer echt klaar.

De kwantumcomputer ligt over vijftien jaar in de winkel, meent prof.dr.ir. Hans Mooij van de afdeling nanoscience van de faculteit Technische Natuurwetenschappen. Tenminste, als de onderzoekers een beetje hard doorwerken. Aan zijn vakgroep zal het niet liggen: over enkele weken publiceert die in het wetenschappelijke tijdschrift ‘Science’ de vinding van de eerste schakel van de kwantumcomputer.

Die schakel (qubit) is niet meer dan een supergeleidend aluminium ringetje van tweeduizendste millimeter groot. In dat ringetje zitten zo’n miljard elektronen die tegelijk linksom en rechtsom kunnen stromen. Dit verschijnsel, waarbij een deeltje twee toestanden tegelijk kan aannemen, heet superpositie.

Waar in een gewone computer een bit de kleinste schakelaar is, die aan staat of uit, ofwel een 0 of een 1 voorstelt, stellen de ‘bits’ in een kwantumcomputer zowel de 0 als de 1 tegelijk voor. Door deze superpositie kunnen kwantumdeeltjes veel meer informatie opslaan dan gewone bits. ,,Dat is handig om getallen van enkele honderden cijfers groot te ontbinden in factoren”, vertelt Mooij. ,,Net zoals je het getal vijftien ontbindt in vijf en drie. Dat kan gebruikt worden om codes te kraken, maar ook voor andere rekenbewerkingen.”

De Delftse qubit, die miljarden elektronen bevat, heeft drie zogenaamde Joseph-junctions. Op die kruispunten worden twee dunne lagen aluminium gescheiden door een laagje aluminiumoxide. Dat zijn de plaatsjes waar de elektronen doorheen kunnen. Door microgolfstraling op het qubit te laten vallen wordt een trilling opgewekt op zo’n manier dat de qubit in een precies omschreven superpositie kan worden gebracht. Net wat nodig is voor een kwantumcomputer.

Om de superposities van de elektronen in een qubit te meten, is gevoelige meetapparatuur nodig. De magnetische velden worden daarom gemeten met squids (superconducting quantum interference devices). De squid is om de aluminium ring heen gebouwd (zie plaatje). Deze meet hoe de qubit schommelt tussen twee toestanden.

Beheersen

Eén qubit maakt nog geen kwantumcomputer. Volgens Mooij is de volgende stap dan ook om twee qubits te koppelen. ,,Dat kan al wel, maar nog niet naar tevredenheid. Want wanneer we aan de ene qubit meten, dan heeft de andere er last van. Dat willen we niet”, aldus de professor. Volgens hem zijn duizend qubits aan elkaar geschakeld nodig voor een kwantumcomputer. ,,Maar met honderd qubits achterelkaar wordt het ook al interessant om mee te rekenen.”

Een kwantumcomputer met duizend aan elkaar geschakelde qubits is nog veel kleiner dan een duimnagel. Volgens postdoc Irinel Chiorescu van dezelfde vakgroep is het belangrijk voor toekomstige applicaties om de informatie uit de kwantumcomputer correct naar de grote klassieke buitenwereld over te brengen. Zolang die kwantuminformatie maar in de aluminium ringetjes blijft is het proces te beheersen. Het gaat mis als er contact komt met de buitenwereld met veel ongecontroleerde toestanden. ,,Voor de toekomstige toepassingen moet ook hier nog veel onderzoek worden verricht”, meent Chiorescu.

Volgens de Roemeen is de Delftse qubit beter dan qubits van andere onderzoeksgroepen in de wereld, omdat deze minder gevoelig zou zijn voor storingen en bovendien relatief makkelijk te bedienen. Er moet nog wel verder onderzoek gedaan worden naar de bruikbaarheid van de kwantumbits. ,,Het is niet alleen een stap naar de kwantumcomputer, het geeft ook inzicht in fundamentele natuurkundige vragen. Alleen, het is niet voor de dag van morgen.”

Delftse onderzoekers hebben een eerste stap gezet op weg naar de kwantumcomputer. Met hun flux qubit haalden ze het wetenschappelijk topblad ‘Science’. Als duizend van deze qubits achter elkaar worden geschakeld, is de kwantumcomputer echt klaar.

De kwantumcomputer ligt over vijftien jaar in de winkel, meent prof.dr.ir. Hans Mooij van de afdeling nanoscience van de faculteit Technische Natuurwetenschappen. Tenminste, als de onderzoekers een beetje hard doorwerken. Aan zijn vakgroep zal het niet liggen: over enkele weken publiceert die in het wetenschappelijke tijdschrift ‘Science’ de vinding van de eerste schakel van de kwantumcomputer.

Die schakel (qubit) is niet meer dan een supergeleidend aluminium ringetje van tweeduizendste millimeter groot. In dat ringetje zitten zo’n miljard elektronen die tegelijk linksom en rechtsom kunnen stromen. Dit verschijnsel, waarbij een deeltje twee toestanden tegelijk kan aannemen, heet superpositie.

Waar in een gewone computer een bit de kleinste schakelaar is, die aan staat of uit, ofwel een 0 of een 1 voorstelt, stellen de ‘bits’ in een kwantumcomputer zowel de 0 als de 1 tegelijk voor. Door deze superpositie kunnen kwantumdeeltjes veel meer informatie opslaan dan gewone bits. ,,Dat is handig om getallen van enkele honderden cijfers groot te ontbinden in factoren”, vertelt Mooij. ,,Net zoals je het getal vijftien ontbindt in vijf en drie. Dat kan gebruikt worden om codes te kraken, maar ook voor andere rekenbewerkingen.”

De Delftse qubit, die miljarden elektronen bevat, heeft drie zogenaamde Joseph-junctions. Op die kruispunten worden twee dunne lagen aluminium gescheiden door een laagje aluminiumoxide. Dat zijn de plaatsjes waar de elektronen doorheen kunnen. Door microgolfstraling op het qubit te laten vallen wordt een trilling opgewekt op zo’n manier dat de qubit in een precies omschreven superpositie kan worden gebracht. Net wat nodig is voor een kwantumcomputer.

Om de superposities van de elektronen in een qubit te meten, is gevoelige meetapparatuur nodig. De magnetische velden worden daarom gemeten met squids (superconducting quantum interference devices). De squid is om de aluminium ring heen gebouwd (zie plaatje). Deze meet hoe de qubit schommelt tussen twee toestanden.

Beheersen

Eén qubit maakt nog geen kwantumcomputer. Volgens Mooij is de volgende stap dan ook om twee qubits te koppelen. ,,Dat kan al wel, maar nog niet naar tevredenheid. Want wanneer we aan de ene qubit meten, dan heeft de andere er last van. Dat willen we niet”, aldus de professor. Volgens hem zijn duizend qubits aan elkaar geschakeld nodig voor een kwantumcomputer. ,,Maar met honderd qubits achterelkaar wordt het ook al interessant om mee te rekenen.”

Een kwantumcomputer met duizend aan elkaar geschakelde qubits is nog veel kleiner dan een duimnagel. Volgens postdoc Irinel Chiorescu van dezelfde vakgroep is het belangrijk voor toekomstige applicaties om de informatie uit de kwantumcomputer correct naar de grote klassieke buitenwereld over te brengen. Zolang die kwantuminformatie maar in de aluminium ringetjes blijft is het proces te beheersen. Het gaat mis als er contact komt met de buitenwereld met veel ongecontroleerde toestanden. ,,Voor de toekomstige toepassingen moet ook hier nog veel onderzoek worden verricht”, meent Chiorescu.

Volgens de Roemeen is de Delftse qubit beter dan qubits van andere onderzoeksgroepen in de wereld, omdat deze minder gevoelig zou zijn voor storingen en bovendien relatief makkelijk te bedienen. Er moet nog wel verder onderzoek gedaan worden naar de bruikbaarheid van de kwantumbits. ,,Het is niet alleen een stap naar de kwantumcomputer, het geeft ook inzicht in fundamentele natuurkundige vragen. Alleen, het is niet voor de dag van morgen.”

Redacteur Redactie

Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?

delta@tudelft.nl

Comments are closed.