Jongleren met elektronen

Hiermee levert hij een bijdrage aan de totstandkoming van de quantumcomputer, de computer die de hele informatica op zijn kop moet zetten.

Het manipuleren en uitlezen van elektronspins in quantumdots – Ivo Vink (Technische Natuurwetenschappen) weet maar al te goed dat zijn onderzoek voor veel mensen als abracadabra klinkt en doet daarom zijn best om zijn uitleg zo beeldend mogelijk te maken. “Samen met mijn collega’s probeer ik de kleinste bouwsteentjes te maken voor een quantumcomputer: de quantumbits, ofwel qubits. Die qubits verschillen van de bits in een gewone computer doordat ze niet alleen 1 of 0 maar ook 1 en 0 tegelijkertijd kunnen zijn. Je hebt dan dus één bit met twee bitwaardes. Als je rekent met klassieke bits, moet je een operatie twee keer uitvoeren – eerst met bitwaarde 0 en vervolgens met bitwaarde 1 – om de uitkomst te krijgen. In de quantummechanica bevat een bit al na één operatie de uitkomst van 0 en van 1. Door qubits te gebruiken, neemt de rekenkracht exponentieel toe.”

Met de supersnelle processor die zo ontstaat, zou een computer zeer complexe berekeningen kunnen uitvoeren. De quantumcomputer zou daarmee een doorbraak in de wetenschap betekenen. Tegelijkertijd zouden alle digitale beveiligingssystemen van bijvoorbeeld banken en overheden grondig herzien moeten worden omdat de computer met gemak allerlei codes zou kunnen kraken. Gelukkig biedt de quantummechanica tegelijkertijd een alternatief voor veilige communicatie. Voordat het zover is, is er nog heel wat werk aan de winkel, want het blijkt knap lastig om een controleerbaar qubit te maken.
De qubits waar Vink zich mee bezighoudt, bestaan elk uit één geïsoleerde elektron. Vink: “Een elektron heeft een klein magnetische momentje dat we de ‘spin’ noemen. Die spin kan twee waarden aannemen: 0 en 1. Als de spin zich in een superpositie bevindt, heeft deze twee waarden tegelijkertijd en kan het elektron functioneren als qubit.”

Om het magnetische momentje van één enkel elektron te kunnen bepalen, moet het elektron eerst worden geïsoleerd. Vink doet dit door elektronen te vangen in zogenaamde quantumdots. De quantumdots waar hij mee werkt, zijn een soort eilandjes die in een halfgeleiderstructuur worden gevormd door enkele gouden elektrodes. Vink: “Een quantumdot kan je zien als een knikkerputje waar we elektronen in kunnen laten rollen en weer uit kunnen wippen. Door de spanninkjes op de elektrodes aan te passen, kunnen we de barrière om uit het reservoir te springen verhogen of verlagen.” Door eindeloos met de spanninkjes te variëren, lukte het Vink om de bitwaarde van de elektronen in de quantumdot te bepalen.
Om een werkend qubit te maken, moet de spin van een elektron in een superpositie gebracht kunnen worden. “Om dat te doen moet je de controle hebben over één enkel elektron. Dat was onderzoekers nog nooit eerder gelukt. Door een heel klein lokaal magneetveldje te genereren en dat te koppelen aan de spin van het elektron, lukte het ons wel.”
Met het uitlezen van de bitwaarde van elektronen en het manipuleren van de spin, was het Delftse Spin Qubit Team de eerste ter wereld. Onderzoekers van Harvard gaan er echter prat op een andere belangrijke stap, het koppelen van twee qubits, te hebben gerealiseerd. Vink: “Op korte tijd zijn er veel doorbraken gerealiseerd en dat is hoopgevend voor de toekomst. Het is een goede en open competitie tussen wetenschappers en daardoor gaat het ook zo hard met het vakgebied.”

De eerste prototypes van de quantumcomputer zijn inmiddels al aan het werk gezet. Vink: “De meest vergevorderde berekening met een quantumcomputer ter wereld, was een berekening met zeven bits. Die ‘computer’ heeft berekend dat je het getal 15 kan ontbinden in de factoren 5 en 3.” Voor de meer ingewikkelde berekeningen waar de quantumcomputer voor bedoeld is, heeft een quantumcomputer zeker honderd tot duizenden bits nodig.