Delftse onderzoekers koppelen qubits

Dat supergeleidende ringetjes als bouwstenen kunnen dienen voor toekomstige rekensystemen, bleek al in 2000. Delftse onderzoekers toonden toen aan dat elektronen tegelijk zowel rechtsom als linksom door de ringetjes kunnen stromen. Superpositie wordt dit quantummechanische verschijnsel genoemd. Twee jaar later slaagden collega’s erin met elektromagnetische straling de draairichting van de elektronen naar believen in te stellen. Onderzoeker ir. Jelle Plantenberg van Technische Natuurwetenschappen heeft de volgende stap gezet. Hij is erin geslaagd twee van deze qubits aan elkaar te koppelen.

Plantenberg zette twee ringetjes naast elkaar. De stroom in een van de twee ringetjes, de control qubit, wekt een klein magneetveld op, waarmee het de energietoestand in het andere ringetje, de target qubit, verandert. Of de target qubit nog van draairichting kan veranderen door de van buiten opgelegde elektromagnetische straling, werd hierdoor mede afhankelijk van het magneetveld van de control qubit.

Door de qubits op deze manier aan elkaar te koppelen kon Plantenberg er de zogenaamde controlled-NOT-poort mee maken, de belangrijkste wiskundige rekeneenheid van de computer van de toekomst, de quantumcomputer. Het levert hem deze week een artikel in Nature op.

“Die poort is een belangrijke voorwaarde voor de Deutsch Jozsa-berekening”, zegt Plantenberg. “Stel, je hebt een muntje. Dat kan een echt muntje zijn met één kop- en één muntkant, of een vals muntje met dezelfde afbeelding aan beide zijden. Een quantummechanisch rekensysteem kan twee maal sneller bepalen of het muntje echt is dan een normale computer, doordat zijn bits zich in een superpositie kunnen bevinden. Hij kan bij wijze van spreken aan beide kanten tegelijkertijd kijken. Deze test, die bewijst dat je een quantummechanisch rekensysteem gebruikt, hopen we dit jaar nog uit te voeren.”

Dat de doorbraak vier jaar op zich heeft laten wachten, komt volgens Plantenberg vooral doordat het lastig is ruis buiten de deur te houden. “Een langsrijdende tram kan de energietoestanden in de qubits al verstoren”, vertelt de onderzoeker. “De superpositie moet gecontroleerd zijn en om dit te bereiken moet de qubit helemaal ontkoppeld zijn van zijn omgeving. De energie van de qubit wordt anders beïnvloed en dan is niet meer te voorspellen hoe de quantumtoestand van het systeem is opgebouwd. Door betere isolatie is het nu wel gelukt, maar resterende ruis zal het nog wel lastig maken om meer dan twee qubits met elkaar te verstrengelen.”

Onderzoekers van Technische Natuurwetenschappen bestuderen al jaren twee soorten qubits. Het ene type maakt gebruik van supergeleidende ringetjes, het andere type van zogenoemde quantumdots. Een quantumdot is een enkel in een nanostructuur opgesloten elektron. Ook de onderzoeksgroep die zich hier op richt maakt vorderingen. Een jaar geleden slaagde ze erin om de elektronspin elke gewenste richting op te laten wijzen. Maar een controlled-NOT-bewerking op twee qubits is met quantumdots nog niet gelukt.

Dat supergeleidende ringetjes als bouwstenen kunnen dienen voor toekomstige rekensystemen, bleek al in 2000. Delftse onderzoekers toonden toen aan dat elektronen tegelijk zowel rechtsom als linksom door de ringetjes kunnen stromen. Superpositie wordt dit quantummechanische verschijnsel genoemd. Twee jaar later slaagden collega’s erin met elektromagnetische straling de draairichting van de elektronen naar believen in te stellen. Onderzoeker ir. Jelle Plantenberg van Technische Natuurwetenschappen heeft de volgende stap gezet. Hij is erin geslaagd twee van deze qubits aan elkaar te koppelen.

Plantenberg zette twee ringetjes naast elkaar. De stroom in een van de twee ringetjes, de control qubit, wekt een klein magneetveld op, waarmee het de energietoestand in het andere ringetje, de target qubit, verandert. Of de target qubit nog van draairichting kan veranderen door de van buiten opgelegde elektromagnetische straling, werd hierdoor mede afhankelijk van het magneetveld van de control qubit.

Door de qubits op deze manier aan elkaar te koppelen kon Plantenberg er de zogenaamde controlled-NOT-poort mee maken, de belangrijkste wiskundige rekeneenheid van de computer van de toekomst, de quantumcomputer. Het levert hem deze week een artikel in Nature op.

“Die poort is een belangrijke voorwaarde voor de Deutsch Jozsa-berekening”, zegt Plantenberg. “Stel, je hebt een muntje. Dat kan een echt muntje zijn met één kop- en één muntkant, of een vals muntje met dezelfde afbeelding aan beide zijden. Een quantummechanisch rekensysteem kan twee maal sneller bepalen of het muntje echt is dan een normale computer, doordat zijn bits zich in een superpositie kunnen bevinden. Hij kan bij wijze van spreken aan beide kanten tegelijkertijd kijken. Deze test, die bewijst dat je een quantummechanisch rekensysteem gebruikt, hopen we dit jaar nog uit te voeren.”

Dat de doorbraak vier jaar op zich heeft laten wachten, komt volgens Plantenberg vooral doordat het lastig is ruis buiten de deur te houden. “Een langsrijdende tram kan de energietoestanden in de qubits al verstoren”, vertelt de onderzoeker. “De superpositie moet gecontroleerd zijn en om dit te bereiken moet de qubit helemaal ontkoppeld zijn van zijn omgeving. De energie van de qubit wordt anders beïnvloed en dan is niet meer te voorspellen hoe de quantumtoestand van het systeem is opgebouwd. Door betere isolatie is het nu wel gelukt, maar resterende ruis zal het nog wel lastig maken om meer dan twee qubits met elkaar te verstrengelen.”

Onderzoekers van Technische Natuurwetenschappen bestuderen al jaren twee soorten qubits. Het ene type maakt gebruik van supergeleidende ringetjes, het andere type van zogenoemde quantumdots. Een quantumdot is een enkel in een nanostructuur opgesloten elektron. Ook de onderzoeksgroep die zich hier op richt maakt vorderingen. Een jaar geleden slaagde ze erin om de elektronspin elke gewenste richting op te laten wijzen. Maar een controlled-NOT-bewerking op twee qubits is met quantumdots nog niet gelukt.