Een ingenieuze manier om de toestand van qubits (quantum bits) te meten, door Delftse onderzoekers deze week gepubliceerd in Nature Physics, kan een belangrijk ingrediënt worden voor de quantumcomputer.
Delen
Een quantumobject kun je niet meten zonder het te verstoren. Een elektron, bijvoorbeeld, kan zich in twee schillen rond de atoomkern tegelijk bevinden, maar op het moment dat je het meet, kiest dat elektron voor één van beide schillen. De meeste metingen zijn echter nog desastreuzer: je verstoort het quantumobject zozeer dat je niet weet of het zich vlak na de meting nog in dezelfde staat bevindt als op het moment van meting zelf.
Het is alsof je een haperende camera in het volle licht openmaakt om te kijken of de film goed zit: je hebt het antwoord op je vraag, maar de film kun je weggooien en van de nieuwe film weet je weer niet of hij goed geladen is. Daarop bestaat sinds enkele jaren een antwoord: quantum non-demolition detection (qnd), de donkere kamer van de quantummeting.
“Het bijzondere van een qnd-meting is dat je de staat van het quantumsysteem niet méér verstoort dan fundamenteel noodzakelijk is om de meting te doen”, vertelt ir. Pieter de Groot, werkzaam bij de quantumtransportgroep van het Kavli Instituut en een van de zes auteurs van het artikel in Nature Physics. “Hierdoor krijg je, als je een tweede meting uitvoert, hetzelfde resultaat. Zo’n meting leer je bij je eerste college quantummechanica, maar de experimentele realisaties zijn nog behoorlijk schaars. Een qnd-meting is namelijk veel moeilijker dan een gewone meting. Daarom is het zo bijzonder dat wij er nu voor het eerst in geslaagd zijn voor ons type qubit zo’n meting te verrichten.”
Aluminium ringetje
Het Delftse qubit is een hoekig aluminium ringetje, uitgeëtst in een chip. Het is sowieso al een bijzonder object, want de meeste quantumobjecten zijn veel kleiner. Op kleinere objecten waren al eerder qnd-metingen verricht. Zo’n ringetje genereert een magnetisch veld, dat je kunt meten. De bestaande meetmethoden verstoorden dat veld echter zodanig dat de quantumstaat van het ringetje erdoor veranderde.
In de nieuwe benadering is dat niet meer het geval. Heel ruw gezegd wordt het ringetje gekoppeld aan een resonator. De meting wordt vervolgens verricht aan die resonator, niet aan het ringetje zelf. Daarmee is het effect van de meting op het ringetje gering genoeg om geen negatieve gevolgen te hebben voor de quantumstaat. De onderzoekers toonden dat aan door meer metingen vlak achter elkaar te verrichten. Die leverden steeds hetzelfde resultaat op.
De nieuwe meetmethode kan van groot belang worden voor het uiteindelijke doel van al het qubit-onderzoek, een quantumcomputer die qua snelheid alle bekende computers in de schaduw stelt, althans voor heel specifieke rekenintensieve problemen, zoals het vinden van priemgetallen. Voor zo’n computer is het in de eerste plaats nodig om verschillende qubits zodanig aan elkaar te koppelen dat ze op een betrouwbare manier met elkaar in interactie gaan en zo een berekening uitvoeren. Die klus is nog niet geklaard, al wordt er wereldwijd hard aan gewerkt.
In de tweede plaats moet het mogelijk zijn (tussen)resultaten betrouwbaar uit te lezen. Daar kan de nieuwe meetmethode een rol bij spelen. De Groot: “En dan gaat het niet eens om het qnd-effect. Ook voor een gewone meting is de methode die we nu bedachte hebben, uiterst bruikbaar.”
Die computer is er uiteraard nog lang niet. Onlangs constateerde Nature in een overzichtsartikel dat de meeste onderzoekers verwachten dat de eerste werkende quantumcomputer rond 2015 een feit is. De Delftse onderzoeksleider prof.dr.ir. Hans Mooij betoonde zich recent in Delft Integraal sceptisch of het apparaat er ooit komt. Hij acht het waarschijnlijker dat er voor qubits toepassingen komen waar we ons nu nog geen voorstelling van kunnen maken. En een publicatie in Nature Physics pakken ze de onderzoekers sowieso niet meer af.
Het Delftse qubit. (Foto: Nature Physics)
Een quantumobject kun je niet meten zonder het te verstoren. Een elektron, bijvoorbeeld, kan zich in twee schillen rond de atoomkern tegelijk bevinden, maar op het moment dat je het meet, kiest dat elektron voor één van beide schillen. De meeste metingen zijn echter nog desastreuzer: je verstoort het quantumobject zozeer dat je niet weet of het zich vlak na de meting nog in dezelfde staat bevindt als op het moment van meting zelf.
Het is alsof je een haperende camera in het volle licht openmaakt om te kijken of de film goed zit: je hebt het antwoord op je vraag, maar de film kun je weggooien en van de nieuwe film weet je weer niet of hij goed geladen is. Daarop bestaat sinds enkele jaren een antwoord: quantum non-demolition detection (qnd), de donkere kamer van de quantummeting.
“Het bijzondere van een qnd-meting is dat je de staat van het quantumsysteem niet méér verstoort dan fundamenteel noodzakelijk is om de meting te doen”, vertelt ir. Pieter de Groot, werkzaam bij de quantumtransportgroep van het Kavli Instituut en een van de zes auteurs van het artikel in Nature Physics. “Hierdoor krijg je, als je een tweede meting uitvoert, hetzelfde resultaat. Zo’n meting leer je bij je eerste college quantummechanica, maar de experimentele realisaties zijn nog behoorlijk schaars. Een qnd-meting is namelijk veel moeilijker dan een gewone meting. Daarom is het zo bijzonder dat wij er nu voor het eerst in geslaagd zijn voor ons type qubit zo’n meting te verrichten.”
Aluminium ringetje
Het Delftse qubit is een hoekig aluminium ringetje, uitgeëtst in een chip. Het is sowieso al een bijzonder object, want de meeste quantumobjecten zijn veel kleiner. Op kleinere objecten waren al eerder qnd-metingen verricht. Zo’n ringetje genereert een magnetisch veld, dat je kunt meten. De bestaande meetmethoden verstoorden dat veld echter zodanig dat de quantumstaat van het ringetje erdoor veranderde.
In de nieuwe benadering is dat niet meer het geval. Heel ruw gezegd wordt het ringetje gekoppeld aan een resonator. De meting wordt vervolgens verricht aan die resonator, niet aan het ringetje zelf. Daarmee is het effect van de meting op het ringetje gering genoeg om geen negatieve gevolgen te hebben voor de quantumstaat. De onderzoekers toonden dat aan door meer metingen vlak achter elkaar te verrichten. Die leverden steeds hetzelfde resultaat op.
De nieuwe meetmethode kan van groot belang worden voor het uiteindelijke doel van al het qubit-onderzoek, een quantumcomputer die qua snelheid alle bekende computers in de schaduw stelt, althans voor heel specifieke rekenintensieve problemen, zoals het vinden van priemgetallen. Voor zo’n computer is het in de eerste plaats nodig om verschillende qubits zodanig aan elkaar te koppelen dat ze op een betrouwbare manier met elkaar in interactie gaan en zo een berekening uitvoeren. Die klus is nog niet geklaard, al wordt er wereldwijd hard aan gewerkt.
In de tweede plaats moet het mogelijk zijn (tussen)resultaten betrouwbaar uit te lezen. Daar kan de nieuwe meetmethode een rol bij spelen. De Groot: “En dan gaat het niet eens om het qnd-effect. Ook voor een gewone meting is de methode die we nu bedachte hebben, uiterst bruikbaar.”
Die computer is er uiteraard nog lang niet. Onlangs constateerde Nature in een overzichtsartikel dat de meeste onderzoekers verwachten dat de eerste werkende quantumcomputer rond 2015 een feit is. De Delftse onderzoeksleider prof.dr.ir. Hans Mooij betoonde zich recent in Delft Integraal sceptisch of het apparaat er ooit komt. Hij acht het waarschijnlijker dat er voor qubits toepassingen komen waar we ons nu nog geen voorstelling van kunnen maken. En een publicatie in Nature Physics pakken ze de onderzoekers sowieso niet meer af.
Het Delftse qubit. (Foto: Nature Physics)
Comments are closed.