Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Zeldzame aardmetalen voor kwantumopslag

Zeldzame aardmetalen, Rare-earth materialen, zijn goede kandidaten om kwantuminformatie op te slaan, omdat de ongewenste interactie met hun omgeving minimaal is. Aan de andere kant zorgt dit gebrek aan interactie voor een erg lage respons op licht, waardoor data lezen en wegschrijven moeilijk wordt. Leidse natuurkundigen hebben nu een effect met recordhoogte gemeten dat deze wisselwerking met licht vergroot. Publicatie op 25 april in Nature Photonics. 

Normale computers voeren berekeningen uit met bits—enen en nullen. Kwantumcomputers gebruiken daarentegen qubits. Deze informatie-eenheden zijn een superpositie van 0 en 1; ze representeren tegelijkertijd een nul en een één. Het stelt kwantumcomputers in staat om informatie te verwerken op een compleet nieuwe manier, wat ze exponentieel sneller maakt in specifieke gevallen, zoals het oplossen van wiskundige problemen of encrypties ontcijferen.

Fragiel

Het moeilijke gedeelte is nu om daadwerkelijk een echte kwantumcomputer te bouwen. In plaats van silicium transistoren heb je fysieke componenten nodig die kwantuminformatie kunnen verwerken en opslaan, anders gaat het hele idee verloren. Maar het probleem met kwantumsystemen is dat ze min of meer gekoppeld zijn aan hun omgeving, waardoor ze hun kwantumeigenschappen verliezen en zich weer ‘klassiek’ gaan gedragen. Thermische ruis kan bijvoorbeeld het gehele systeem vernietigen. Het maakt kwantumsystemen extreem fragiel en moeilijk om mee te werken.

Elektronbanen

Toch nemen Leidse natuurkundigen de uitdaging aan om een kwantumsysteem te ontwerpen dat dienst doet als qubit. Het plan is om de banen van elektronen rond atoomkernen te gebruiken als enen en nullen. Als je licht schijnt op vele atomen, zal dat een van de elektronen in een hogere baan duwen. Dit geeft wetenschappers een manier om data weg te schrijven. Deze data kunnen ze ook weer uitlezen met een tweede lichtpuls, die het elektron weer naar beneden dwingt en het een lichtdeeltje laat uitzenden dat de informatie bevat. Wanneer het atoom ook interacteert met zijn omgeving, werkt dit principe niet perfect omdat er informatie verloren gaat. Eerste auteur Dapeng Ding gebruikt zogenoemde rare-earth ionen om deze kwantuminformatielek te vermijden. Deze deeltjes kunnen tien seconden lang dienen als stabiele opslag—een eeuwigheid in de anders zo fragiele kwantumwereld. Ter vergelijking: andere veelgebruikte systemen voor kwantumcomputeronderzoek vervallen binnen microseconden—meer dan een miljoen keer sneller.

Purcell effect

Naast hun ongelofelijke stabiliteit brengen rare-earth ionen een probleem met zich mee; ze interacteren slechts zeer zwak met licht, zodat lezen en wegschrijven van data moeilijk is. Om dit op te lossen, hielden de fysici licht samen met rare-earth ion ytterbium (Yb3+) gevangen in a zogenoemde ringresonator. Tot hun tevredenheid zagen ze dat de ringresonator het Purcell effect induceerde, wat de interactie met licht vergroot. Hiermee omzeilen ze een belangrijke valkuil, en het maakt de weg vrij voor Bouwmeesters voorstel om de opslag van kwantuminformatie te verbeteren.