Universiteit Leiden

nl en

Een kunstmatig atoom als qubit

Bij een baanbrekend project als de quantumcomputer is het verstandig om niet op één paard te wedden. In de Leidse onderzoeksgroep Quantum Optics werkt men aan een ander type qubit dan op basis van het Majorana deeltje, gebaseerd op een 'kunstmatig atoom'. Als die de basis wordt van de quantumcomputer, zal deze rekenen met infraroodlicht, in plaats van met elektrische stroompjes.

Elektron in een kooitje

Het is al bijna mogelijk om deze qubits te maken met technieken die gemeengoed zijn in de fabricage van gewone chips. Dat is van belang, omdat je dan later sneller kunt opschalen van een prototype in het laboratorium naar serieproductie. Deze qubits bestaan uit minuscule klompjes van een halfgeleidermateriaal (indiumarsenide), ingebed in een ander halfgeleidermateriaal (galliumarsenide). Door de omstandigheden tijdens de productie van de chip, waarop meerdere qubits zitten, nauwkeurig te controleren, en de chip daarna te koelen tot 5 graden boven het absolute nulpunt (– 268 graden celsius) kan je er voor zorgen dat elk klompje precies één extra elektron bevat, alsof het in een kooitje gevangen zit. Als je infrarood laserlicht op zo'n kooitje schijnt, kan het elektron een foton (een individueel lichtdeeltje) absorberen, waardoor hij in een andere toestand komt. Dit lijkt sterk op hoe een atoom reageert op het invangen van een foton, vandaar dat men dit ook wel een kunstmatig atoom noemt. Zo kan weer de mix van twee toestanden (0 en 1) ontstaan die voor een qubit nodig is.

Promovendus Morten Bakker doet onderzoek naar chips die als basis voor de quantumcomputer kunnen dienen. Hier staat hij bij een opstelling met spiegeltjes. Deze dienen onder meer om een laserstraal met micro-meterprecisie naar het chipsample te sturen. Het sample bevindt zich 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)
Promovendus Morten Bakker doet onderzoek naar chips die als basis voor de quantumcomputer kunnen dienen. Hier staat hij bij een opstelling met spiegeltjes. Deze dienen onder meer om een laserstraal met micro-meterprecisie naar het chipsample te sturen. Het sample bevindt zich 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.

Nano-spiegeltjes

De afgelopen jaren zijn onder leiding van Martin Van Exter en Dirk Bouwmeester belangrijke vorderingen gemaakt met het verfijnen van deze kunstmatige atomen tot bruikbare qubits. Een probleem was, dat een kunstmatig atoom maar een klein deel van de inkomende fotonen absorbeert.

Door een extra stap in het productieproces werd het mogelijk als het ware twee nanospiegeltjes rond het kunstmatig atoom te zetten, waartussen een ingekomen foton meer dan duizend keer heen en weer kaatst. De kans dat het een keer wordt geabsorbeerd door het kunstmatig atoom is dan navenant groter. Ook kreeg men de techniek onder de knie, om een qubit te 'lezen' of te 'schrijven' met één enkel foton, wat nodig is om quantumberekeningen te doen.

Het maken van zulke qubits is een kwestie van veel vallen en opstaan, omdat de eigenschappen van de nanospiegeltjes en het kunstmatig atoom precies op elkaar moeten passen. Een perfect uitgevallen qubit is nu nog een lot uit de loterij, maar gelukkig zijn er voor deze experimenten niet veel nodig. Als een chip met een goede qubit eenmaal is afgekoeld tot zijn bedrijfstemperatuur, slijt deze niet meer. Eén uitzonderlijk goed gelukte qubit heeft meer dan een jaar continu gewerkt.

Quantumspelletjes spelen

De volgende stap zal zijn, om achtereenvolgens meerdere fotonen op een qubit af te sturen, zodanig dat die allemaal verstrengeld raken. In een quantumcomputer moeten qubits met andere qubits communiceren. Daarom is het soms nodig om qubits en fotonen met elkaar te verstrengelen. 'Meer en ingewikkelder quantumspelletjes spelen,' noemt Van Exter dat. Uiteindelijk kan dit leiden tot een quantumchip waarop honderden kunstmatige atomen met elkaar communiceren door middel van fotonen, maar de ambitie richt zich nu eerst op een tussenstap: 'Ons gaat het nu om de fundamentele fysica. Wij willen laten zien, dat bepaalde quantum-operaties in ons systeem goed werken, zodat het geschikt is als een van de essentiële bouwstenen van een quantumcomputer.'

Deze website maakt gebruik van cookies. Meer informatie