Een supergeleidend quantumbit dat werkt
In de Science Express van vrijdag 14 februari 2003 publiceren Ironel Chiorescu, Kees Harmans en Hans Mooij (Technische Universiteit Delft) en Yasunobu Nakamura (van het Japanse bedrijf NEC) de resultaten van recente experimenten waarin ze aantonen een supergeleidend aluminium ringetje te hebben gemaakt dat quantumgedrag vertoont en daarmee de eigenschappen heeft die nodig zijn voor een schakeling in een quantumcomputer. Normaal vertonen alleen atomen of vergelijkbaar kleine objecten quantumgedrag. Het onderzoek werd uitgevoerd met aanzienlijke financiële steun van FOM. De publicatie in de gedrukte versie van Science verschijnt over enige weken.
Quantumcomputer
Een quantumcomputer, als die ooit gemaakt wordt, kan dingen die een gewone computer nooit zal kunnen. Er is een wezenlijk onderscheid in de manier waarop de informatie wordt verwerkt, waarbij van de heel bijzondere aspecten van quantumgedrag gebruik gemaakt wordt. De quantumcomputer zal niet alles beter kunnen dan een gewone computer, maar zal er vooral sterk in zijn om uit een ingewikkeld probleem een snelle conclusie te trekken door veel gegevens tegelijk in aanmerking te nemen. Tot nu toe zijn er alleen heel kleine quantumcomputers gerealiseerd. Om tot grotere systemen te komen is het nodig om quantumbits, de bouwstenen van de quantumcomputer, te ontwikkelen die in grote aantallen in een schakeling kunnen worden opgenomen. Daarbij moet gebruik gemaakt kunnen worden van de fabricagemogelijkheden van de micro-elektronica. Onderzoekers aan de Technische Universiteit Delft is het nu gelukt om in zo'n vaste-stofobject de dynamica van een quantumsysteem te realiseren.
Qubit
Het Delftse quantumbit of qubit is een klein supergeleidend ringetje. Het qubit kan in twee quantumtoestanden verkeren; dit zijn hier elektrische stroompjes die linksom of rechtsom lopen. Het bijzondere van een quantumsysteem is dat er ook samengestelde toestanden bestaan (superposities) waarbij in dit geval de stroompjes tegelijk linksom en rechtsom lopen in een goed vastgelegde combinatie. Om het quantumbit te gebruiken moet men in staat zijn om gecontroleerd van de ene enkele of samengestelde toestand over te gaan naar elke andere. Tot voor kort werd quantumgedrag alleen toegeschreven aan atomen of vergelijkbaar kleine objecten. Daarvan kan moeilijk een schakeling worden gemaakt. Het wordt nu duidelijk dat ook grotere objecten met miljarden atomen tot quantumgedrag kunnen worden verleid.
Het nieuwe Delftse qubit, dat ongeveer 2 bij 2 micrometer meet, bestaat uit een ring met daarin kleine zogenaamde Josephsonjuncties: twee dunne lagen aluminium gescheiden door een zeer dunne laag aluminiumoxide. Het qubit wordt afgekoeld zodat het aluminium supergeleidend wordt. De quantum-kringstromen lopen in de kleinere ring rechts, met drie kleine juncties. Metingen worden verricht met een zogenaamde SQUID, de grotere ring met daarin twee relatief grote juncties.
Bij de metingen wordt het quantumbit eerst geprepareerd in de toestand met de laagste energie. Dan wordt microgolfstraling toegevoerd, waardoor het quantumbit overgaat in de tweede toestand met een hogere energie. In de metingen is te zien hoe het quantumbit gaat oscilleren tussen de twee toestanden. Hoe sterker de straling hoe sneller de oscillatie, zoals door de theorie wordt voorspeld. Er zal verder worden onderzocht hoe bruikbaar deze quantumbits zijn.
Meer informatie bij prof.dr.ir. Hans Mooij, TUDelft, telefoon (015) 278 61 53.