Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Enkel molecuul gedetecteerd voor gebruik in kwantumnetwerk

Leidse fysici zijn erin geslaagd om een enkel molecuul genaamd dibenzoterrylene te detecteren in een nieuw kristal, en hebben ontdekt dat het een kandidaatbouwsteen is voor een kwantumnetwerk. Toekomstige kwantumcomputers hebben zo’n netwerk nodig om samen te werken zonder hun uitzonderlijke eigenschappen te verliezen. Publicatie in ChemPhysChem journal.

Kwantumcomputers houden een grote belofte in voor de toekomst. Met exponentieel snellere berekeningen zouden ze in staat moeten zijn om wetenschappelijke vraagstukken op te lossen en codes te kraken die op dit moment ontastbaar zijn voor moderne computers. En om het potentieel van kwantumcomputers volledig te benutten, moeten ze met elkaar in contact staan via een kwantumnetwerk. In gewone netwerken moeten zogenoemde qubits transformeren tot alledaagse bits om door een klassieke draad te vliegen. Op die manier zou het snelheidsvoordeel van kwantumcomputers compleet verloren gaan.

Individueel molecuul

Leids natuurkundige Michel Orrit bestudeert losse moleculen als kandidaatbouwstenen voor het benodigde kwantumnetwerk, met gebruik van een techniek die hij begin jaren ’90 ontwikkelde en waarmee hij als eerste persoon een individueel molecuul zag via fluorescentie. Orrits uitvinding legde de basis voor een volgende techniek die later de 2015 Nobelprijs voor de Scheikunde zou binnenhalen. En vandaag de dag bewijst zijn oorspronkelijke techniek nog steeds haar waarde in het moderne onderzoek. Naast de 2016 Physicaprijs bracht het Orrit de mogelijkheid om een individueel dibenzoterrylene-molecuul te detecteren, samen met promovendus Nico Verhart, en om het te testen op geschiktheid voor in kwantumnetwerken.

Radiozender

De onderzoekers richten een laserstraal op hun sample, dat extreem is verdund—100 nanomol per liter—en daarmee slechts een paar moleculen achterlaat in de focus van de laser. Vanzelfsprekend ligt de temperatuur net boven het absolute nulpunt, zodat de deeltjes netjes op hun plek blijven. Door langzaam de laserkleur te veranderen, testen ze vele verschillende frequenties uit waar een molecuul mogelijk op inschakelt. Het is te vergelijken met een radiozender die meerdere uitzendkanalen probeert om de frequentie te matchen waar jouw radio op staat ingesteld. Elk molecuul is zo geprogrammeerd dat het alleen interacteert met licht van een zeer specifieke frequentie, zoals een oude radio die vastzit op één kanaal. Wanneer het geraakt wordt door licht van precies de juiste kleur, absorbeert het die lichtdeeltjes en zendt ze vervolgens weer uit; het fluoresceert.

Stabiel

Als de Leidse fysici eenmaal zijn gestuit op een matchende kleur, analyseren ze de stabiliteit van het fluorescentiesignaal. Hoe stabieler het signaal, des te geschikter het molecuul is om te dienen als bouwsteen van een kwantumnetwerk. De frequentie van een instabiel molecuul zal bijvoorbeeld langzaam verschuiven, of het molecuul kan in een donkere toestand geraken, waarin het een tijdje helemaal niet fluoresceert. Het blijkt nu dat dibenzoterrylene-moleculen geen van deze instabiliteiten vertonen en een goede kandidaat zijn om de basis te vormen voor een kwantumnetwerk.

Publicatie

'Spectroscopy of single dibenzoterrylene molecules in para-dichlorobenzene', Michel Orrit, Nico R. Verhart, Mathias Müller, ChemPhysChem