Negen miljoen euro voor onderzoeksprogramma over quantuminformatie
De Stichting FOM en de Technische Universiteit Delft gaan, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit Leiden, een onderzoekgroep in Delft opbouwen die gaat werken aan het bestuderen en beheersen van quantumverschijnselen in de vaste stof waarmee op de langere termijn systemen voor quantuminformatie en quantumrekenen gebouwd moeten kunnen worden. FOM stelt hiervoor, met een bijdrage van de TU Delft, in totaal 9 miljoen euro ter beschikking. Het onderzoeksprogramma zal in 2004 van start gaan en heeft een looptijd tot 2014.
De quantummechanica ligt aan de basis van alle moderne natuurkunde. Een van de bekende - in het dagelijkse leven onbegrijpelijke - effecten van de quantummechanica is de zogeheten superpositie-toestand: een quantumsysteem kan tegelijkertijd in twee toestanden verkeren. In een schakeling bijvoorbeeld kan de elektrische stroom gelijktijdig in twee tegengestelde richtingen lopen. Hierop is het idee gebaseerd van het quantumbit, de bouwsteen voor een quantumcomputer. Een ander bekend - en ogenschijnlijk al even onbegrijpelijk - effect van de quantummechanica is dat twee deeltjes op verschillende plaatsen verstrengeld kunnen zijn; dat wil zeggen dat het twee-deeltjeskarakter fundamenteel anders is dan de som van twee deeltjes. Als de toestand van een van de verstrengelde deeltjes wordt gemeten, dan is onmiddellijk ook de toestand van het andere deeltje bekend; het maakt niet uit hoe ver weg het andere deeltje op dat moment is.
Beide effecten maken in principe systemen mogelijk waarmee informatie niet kan worden afgeluisterd, veel meer data opgeslagen kunnen worden of waarmee extreem snelle berekeningen gedaan kunnen worden. Daarom zijn onderzoekers zeer in toepassing van deze verschijnselen geïnteresseerd. Er zijn echter ook grote praktische moeilijkheden. De quantummechanica werkt uitstekend op zeer kleine schaal en dus voor zeer weinig deeltjes tegelijk. Om bijvoorbeeld een computer te maken moet een systeem echter op grotere schaal en voor veel meer deeltjes tegelijk werken. Dan worden echter alle quantumverschijnselen extreem gevoelig voor verstoringen; dat is praktisch niet erg handig.
Nieuwe ontwikkelingen in onderzoek en technologie hebben het recent mogelijk gemaakt complexere quantummechanische systemen te fabriceren en hun fundamentele gedrag te bestuderen. Met die nieuwe mogelijkheden als uitgangspunt gaan de natuurkundigen in de groep in Delft, in samenwerking met collega's in Leiden, kennis en technieken ontwikkelen om grotere vaste-stofsystemen te bouwen waarin de genoemde quantumverschijnselen onder controle gehouden en toegepast kunnen worden. Tevens worden in samenwerking met de Leidse collega's opto-elektronische verschijnselen bestudeerd en ontwikkeld om de 'missing link' te overbruggen tussen vaste-stof-qubits en vrije lichtdeeltjes.
Wat gaan de onderzoekers doen?
De onderzoekers gaan zich richten op vier deelonderwerpen om te werken met quantuminformatie:
1. halfgeleidende quantumbits
deze maken gebruik van de magnetische eigenschappen van de elektronen in het systeem; dat is dus anders dan de elektrische eigenschappen van de elektronen in gewone geleiding; die magnetische eigenschappen hangen samen met het feit dat een elektron te beschouwen is als een om zijn as tollend magneetje, dat zijn as omhoog of omlaag gericht kan hebben; dit verschijnsel heet de 'spin' van het elektron en het biedt de mogelijkheid hetzelfde deeltje tegelijk voor twee bits informatie te gebruiken.
Op de eerste drie onderwerpen hebben natuurkundigen in Delft al wereldfaam opgebouwd, op het vierde onderwerp wordt in Leiden werk van wereldformaat gedaan.
2. quantum-opto-elektronica met nanodraden
de bedoeling hier is te onderzoeken of de qubits in dunne nanodraden van halfgeleidermateriaal te koppelen zijn aan individuele lichtdeeltjes.
3. supergeleidende flux-quantumbits
dit zijn supergeleidende elektrische schakelingen waarin gebruik wordt gemaakt van de superpositie-toestand: de elektrische stroom door de schakeling loopt gelijktijdig in tegengestelde richtingen.
4. quantumoptica
bij dit onderwerp is het verschijnsel van de verstrengeling van deeltjes, in dit geval lichtdeeltjes, van groot belang; hiermee zou een bouwsteen voor rekenen met licht gemaakt kunnen worden.
Op de eerste drie onderwerpen hebben natuurkundigen in Delft al wereldfaam opgebouwd, op het vierde onderwerp wordt in Leiden werk van wereldformaat gedaan.
Voor deze onderwerpen is om twee redenen gekozen, zegt prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven, verbonden aan de TU Delft en leider van de onderzoekgroep. Er is belangrijke experimentele expertise in Nederland op het terrein van het werken met quantuminformatie in vaste-stofsystemen en er is een gerede kans dat het onderzoek ooit tot werkende 'hardware' leidt. De stap naar industriële laboratoria ligt echter nog ver weg en daarom richt het huidige programma zich op de fundamentele verschijnselen in het nieuwe gebied van quantuminformatie.
Meer informatie bij:
prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven, telefoon: (015) 278 60 64,
dr. Mijke Zachariasse, telefoon: (030) 600 12 11.