De nano- en kwantumtroetelkindjes van de TU timmeren zowel op ingenieursniveau als in de fundamentele wetenschap stevig aan de weg. Het resultaat van technische ervaring en stevig nachtwerk opent de weg naar de kwantumcomputer.
Delen
In hun jacht naar een natuurkundige doorbraak werkten promovendus Jeroen Elzerman en postdoc Lieven Vandersypen van de kwantumtransportgroep dag en nacht door, elkaar de slaap uit de ogen wrijvend. De computer registreerde ondertussen iedere twee seconden de spin (draaiing van een elektron om zijn as, up en down) van een enkel elektron die gevangen zat in een elektrisch veldje op een nanotransistor. Het exact weten en meten van die spin zou een belangrijke hobbel richting kwantumcomputer kunnen wegnemen.
Tot nu toe was geen enkele fysicus hierin geslaagd, alleen bij grote aantallen elektronen tegelijk kon de spin gemeten worden. Dit maakte het experiment voor beide onderzoekers extra spannend.
Stopzetten van de metingen kon mislukking betekenen. Onafgebroken kwamen daarom bijna tien miljoen elektronen één voor één aan het tweetal voorbij. Het grote aantal metingen was nodig om de exacte tijd te bepalen waarin de elektronen in de spin (up of down) blijven.
De meeste spinmetingen registreerde de computer zelf later in een grafiek, maar de eerste tienduizend moesten de onderzoekers handmatig turven. Gaf de grafiek een piekje, dan streepten ze ‘downspin’ met potlood op hun notitieblokje, zonder piek een upspin, tot eindelijk software was ontwikkeld die het monnikenwerk overnam.
“Toen het experiment geslaagd was hebben we Elzerman ook meteen naar een winterworkshop gestuurd in Aspen, waar hij ook kon skiën”, zegt Leo Kouwenhoven, hoogleraar bij de kwantumtransportgroep. “Dat had hij wel verdiend. Vandersypen heeft inmiddels een vaste aanstelling bij ons gekregen. Ze hebben onvoorstelbaar hard gewerkt, maar het was noodzakelijk. Je kunt niet tussendoor even naar de film, want je loopt kans dat de computer bijvoorbeeld crasht en dat alles misloopt.”
Afgelopen maand glom het onderzoek geslaagd en wel in ‘Nature’, goed voor een puntenknaller in het TU-allocatiemodel.
Helaas voor de groep Kouwenhoven verscheen een Californische IBM-groep onder aanvoering van fysicus Daniel Rugar net een week eerder in Nature met een publicatie over single-spinmeting, hoewel het later was ingediend. Rugar gebruikte de methode van magnetische resonantie (MRI) om de spin te meten van een enkel elektron. In plaats van grote foto’s te maken van hersenkwabben, zoals normaal gesproken bij ziekenhuis-MRI’s, kon Rugars ‘microscoop’ krachten van tien tot de min-achttiende Newton meten, en plaatjes maken met atomaire resolutie. Hiervoor had Rugar tien jaar gewerkt aan de verfijning van zijn microscoop.
“Single-spinmeting is een doorbraak die zeker een aanzienlijke impact zal hebben in de fysica”, zegt Kouwenhoven. “Er is nog nooit iemand geweest die de spin van een enkel elektron kon meten, terwijl er honderden mislukte voorstellen zijn gedaan. Het werd door theoretische fysici onmogelijk geacht.”
Het succes kwam mogelijk door de ingenieursbenadering die de groep van Kouwenhoven koos. “We hebben zelf de meetapparatuur ontwikkeld, en dan zo dat het elektron niet anders kon dan informatie over zijn spin met ons delen”, zegt hij. “Normaal gesproken beïnvloed je bij kwantummechanica het resultaat zodra je meet, maar wij hebben die verstoring door onze apparatuur tot een minimum weten te beperken.”
Het exact meten van de spin van een enkel elektron is noodzakelijk voor een goed functionerende spin-kwantumcomputer. “Alleen als van een elektron bekend is welke spin hij heeft, kan een computer betrouwbare berekeningen uitvoeren”, zegt Kouwenhoven, die zich net opmaakt voor het wekelijks potje voetbal met de kwantumgroep. “Ook moet het elektron lang genoeg in die toestand blijven. Als de spin van een bepaald elektron plotseling van up naar down springt terwijl de computer nog rekent, gaat de berekening de mist in. Wij konden hem één milliseconde in die toestand houden en dat is genoeg.”
Het exact weten en meten van de draaiing van een elektron zou een belangrijke hobbel richting kwantumcomputer kunnen wegnemen.
In hun jacht naar een natuurkundige doorbraak werkten promovendus Jeroen Elzerman en postdoc Lieven Vandersypen van de kwantumtransportgroep dag en nacht door, elkaar de slaap uit de ogen wrijvend. De computer registreerde ondertussen iedere twee seconden de spin (draaiing van een elektron om zijn as, up en down) van een enkel elektron die gevangen zat in een elektrisch veldje op een nanotransistor. Het exact weten en meten van die spin zou een belangrijke hobbel richting kwantumcomputer kunnen wegnemen.
Tot nu toe was geen enkele fysicus hierin geslaagd, alleen bij grote aantallen elektronen tegelijk kon de spin gemeten worden. Dit maakte het experiment voor beide onderzoekers extra spannend.
Stopzetten van de metingen kon mislukking betekenen. Onafgebroken kwamen daarom bijna tien miljoen elektronen één voor één aan het tweetal voorbij. Het grote aantal metingen was nodig om de exacte tijd te bepalen waarin de elektronen in de spin (up of down) blijven.
De meeste spinmetingen registreerde de computer zelf later in een grafiek, maar de eerste tienduizend moesten de onderzoekers handmatig turven. Gaf de grafiek een piekje, dan streepten ze ‘downspin’ met potlood op hun notitieblokje, zonder piek een upspin, tot eindelijk software was ontwikkeld die het monnikenwerk overnam.
“Toen het experiment geslaagd was hebben we Elzerman ook meteen naar een winterworkshop gestuurd in Aspen, waar hij ook kon skiën”, zegt Leo Kouwenhoven, hoogleraar bij de kwantumtransportgroep. “Dat had hij wel verdiend. Vandersypen heeft inmiddels een vaste aanstelling bij ons gekregen. Ze hebben onvoorstelbaar hard gewerkt, maar het was noodzakelijk. Je kunt niet tussendoor even naar de film, want je loopt kans dat de computer bijvoorbeeld crasht en dat alles misloopt.”
Afgelopen maand glom het onderzoek geslaagd en wel in ‘Nature’, goed voor een puntenknaller in het TU-allocatiemodel.
Helaas voor de groep Kouwenhoven verscheen een Californische IBM-groep onder aanvoering van fysicus Daniel Rugar net een week eerder in Nature met een publicatie over single-spinmeting, hoewel het later was ingediend. Rugar gebruikte de methode van magnetische resonantie (MRI) om de spin te meten van een enkel elektron. In plaats van grote foto’s te maken van hersenkwabben, zoals normaal gesproken bij ziekenhuis-MRI’s, kon Rugars ‘microscoop’ krachten van tien tot de min-achttiende Newton meten, en plaatjes maken met atomaire resolutie. Hiervoor had Rugar tien jaar gewerkt aan de verfijning van zijn microscoop.
“Single-spinmeting is een doorbraak die zeker een aanzienlijke impact zal hebben in de fysica”, zegt Kouwenhoven. “Er is nog nooit iemand geweest die de spin van een enkel elektron kon meten, terwijl er honderden mislukte voorstellen zijn gedaan. Het werd door theoretische fysici onmogelijk geacht.”
Het succes kwam mogelijk door de ingenieursbenadering die de groep van Kouwenhoven koos. “We hebben zelf de meetapparatuur ontwikkeld, en dan zo dat het elektron niet anders kon dan informatie over zijn spin met ons delen”, zegt hij. “Normaal gesproken beïnvloed je bij kwantummechanica het resultaat zodra je meet, maar wij hebben die verstoring door onze apparatuur tot een minimum weten te beperken.”
Het exact meten van de spin van een enkel elektron is noodzakelijk voor een goed functionerende spin-kwantumcomputer. “Alleen als van een elektron bekend is welke spin hij heeft, kan een computer betrouwbare berekeningen uitvoeren”, zegt Kouwenhoven, die zich net opmaakt voor het wekelijks potje voetbal met de kwantumgroep. “Ook moet het elektron lang genoeg in die toestand blijven. Als de spin van een bepaald elektron plotseling van up naar down springt terwijl de computer nog rekent, gaat de berekening de mist in. Wij konden hem één milliseconde in die toestand houden en dat is genoeg.”
Het exact weten en meten van de draaiing van een elektron zou een belangrijke hobbel richting kwantumcomputer kunnen wegnemen.
Comments are closed.