Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Nieuwe bouwsteen voor de kwantumcomputer

De race om de kwantumcomputer is in volle gang. Morten Bakker zette een flinke stap vooruit met qubits (een qubit is een eenheid van kwantuminformatie) die in grote aantallen op een chip te produceren zijn. Qubits die fotonen (lichtdeeltjes) uitwisselen kunnen de basis vormen van een kwantumcomputer.

Morten Bakker bij zijn opstelling. De vele spiegeltjes dienen onder meer om een laserstraal met micro-meterprecisie naar het sample te sturen, dat zich bevindt achter het poortje (midden rechts), in een ruimte die wordt gekoeld tot 5 graden boven het absolute nulpunt (voor de foto is een groene laserstraal gebruikt, de echte is infrarood en niet zichtbaar). (Foto: A. Jaspers)

Microtorentjes

Morten Bakker heeft de afgelopen jaren op de 9e verdieping van het Huygens laboratorium chips getest die als basis voor de toekomstige kwantumcomputer zouden kunnen dienen. Gewone chips zijn meestal gemaakt van de halfgeleider silicium, maar Bakkers experimentele chips bestaan uit laagjes van andere halfgeleiders, indiumarsenide en galliumarsenide. Deze chips – de onderzoekers zelf spreken van samples - worden speciaal gemaakt in Santa Barbara, Californië, waar een deel van de onderzoeksgroep van Bakkers promotor Dirk Bouwmeester zit. Het is mogelijk om in zo’n chip een patroon van microtorentjes te bouwen, en na koeling van het sample tot 5 graden boven het absolute nulpunt (-268 graden celsius) fungeert elk torentje als één qubit.

Slechts honderd qubits

De klassieke computer, die we allemaal op ons bureau en in onze telefoon hebben, berust op een netwerk van miljarden elektronische schakelaartjes (‘bits’), die razendsnel switchen tussen de aan- en uit- stand (1 of 0). Een qubit is een bit dat in een mix van de toestanden 1 en 0 tegelijk kan bestaan. Hoe vreemd het ook klinkt: daardoor zal een kwantumcomputer miljarden berekeningen tegelijk kunnen uitvoeren. Een kwantumcomputer zal met slechts een stuk of honderd qubits de klassieke computer verre overtreffen.

Virtueel atoom tussen spiegeltjes

Bakker is er met zijn promotie-onderzoek, samen met zijn co-promotor Martin van Exter, in geslaagd om dit type qubit praktisch hanteerbaar te maken. De kern bestaat uit een quantum dot, een virtueel atoom, dat in twee energietoestanden (‘0’ en ‘1’) kan verkeren. Bakker: ‘Het is in feite een klompje van een paar duizend atomen waarin één extra elektron zit opgesloten.’ Daar omheen, in het materiaal zelf, zit een trilholte, vergelijkbaar met twee holle spiegeltjes. Het ‘lezen’ en ‘schrijven’ van de toestand van het virtuele atoom moet gebeuren met infrarood laserlicht, en slechts dankzij de trilholte, die het licht vangt en dit zo’n tweeduizend maal langs het atoom heen en weer kaatst, is één foton daarvoor al genoeg. En die extreme zuinigheid is weer nodig, omdat anders het mysterieuze kwantumkarakter van de bits niet behouden blijft.

De chip met het sample. Het sample bevat 42 microstructuren, elk een trilholte met daarin een quantum dot, een opgesloten extra elektron dat zich gedraagt als een virtueel atoom. Dit geheel bevindt zich in het torentje in het centrum, dat ongeveer de diameter heeft van een mensenhaar.

Goede samples zijn zeldzaam

Het maken van zulke samples is moeilijk, omdat de eigenschappen van de trilholte en het atoom precies op elkaar moeten passen. Een perfect uitgevallen sample is een lot uit de loterij, maar gelukkig had Bakker er niet veel nodig: ‘Als ze eenmaal koud zijn, slijten ze niet. We hebben een heel goed sample gehad dat meer dan een jaar continu gewerkt heeft. Maar toen sloeg hier de bliksem in, waardoor de koeling uitviel. Toen we de opstelling weer hadden gekoeld, waren de eigenschappen van het sample veranderd en was het niet goed meer.’

Kwantuminformatie uitwisselen

Het ‘lezen’ en ‘schrijven’ van losse qubits met individuele infrarood fotonen heeft men dankzij Bakkers onderzoek nu redelijk onder de knie. De volgende - en niet geringe - uitdaging is, om dit type qubits ook onderling kwantuminformatie te laten uitwisselen door middel van fotonen. Als ook dat lukt, is de kwantumcomputer in principe een feit. Dat zal een project voor zijn opvolgers worden, want Bakker zelf is van plan zijn carrière buiten de universteit voort te zetten, als onderzoeker bij een bedrijf als ASML of Philips.

Promotie:  Cavity-quantum-electrodynamics-with-quantum-dots-in-microcavities