Quantumcomputer weer een stapje dichterbij
Onderzoekers van het Kavli Institute of Nanoscience Delft hebben een techniek ontwikkeld om de spinrichting van een enkel elektron te bepalen. De volledig elektrische methode voor het meten van de spin wordt vandaag, donderdag 22 juli 2004, gepubliceerd in Nature. "Nu we kunnen bepalen of een elektron spin-up of spin-down heeft zijn we weer een stapje dichter bij een quantumcomputer", zegt eerste auteur ir. Jeroen Elzerman. Het onderzoek is mede gefinancierd door FOM.
Atomen - de bouwstenen van alle materie - bestaan uit een wolk van negatief geladen elektronen en een positief geladen kern. Behalve lading hebben de elektronen echter ook 'spin', het is net alsof ze om hun as draaien. Elzerman: "Bij een meting van de draairichting zijn er maar twee uitkomsten mogelijk: de spin wijst in de richting van het externe magnetische veld, spin-up, of tegengesteld daaraan, spin-down."
Maar volgens de quantummechanica kan de elektronspin ook up en down tegelijk zijn, de zogenaamde superpositie. De Delftse wetenschappers in de groep van professor Leo Kouwenhoven willen hiervan gebruik maken om een quantumcomputer te bouwen. Een computer die in een superpositie van verschillende toestanden tegelijk gebracht kan worden, en dan als het ware meerdere rekenstappen parallel uitvoert.
Dit maakt berekeningen mogelijk die traditionele computers niet aankunnen. De spin van een enkel elektron zou hierbij kunnen dienen als qubit, bouwsteen van zo'n toekomstige quantumcomputer. Maar dan moet je de toestand van de qubit wel kunnen uitlezen. Elzerman: "We konden al eerder één elektron opgesloten houden in een nanostructuur, de zogenaamde quantumdot. En nu kunnen we ook bepalen wat de richting van de spin van dat ene elektron is."
Het bepalen van de spinrichting gebeurt in twee stappen. In de eerste stap wordt het elektrisch veld zó ingesteld dat alleen een spin-downelektron genoeg energie heeft om uit de quantumdot te ontsnappen. Wanneer het dit doet, verandert de lading op de dot. Een spin-upelektron blijft echter opgesloten in de dot, zodat de lading constant blijft. In de tweede stap wordt de lading op de dot gemeten, en is daarmee dus de spin bekend. Met deze volledig elektrische techniek kon ook worden aangetoond dat de spinrichting bijna een milliseconde lang stabiel blijft. Dit betekent dat de spin slechts weinig verstoord wordt door de omgeving, erg belangrijk voor een toepassing als qubit.
"Er valt nog veel te onderzoeken, maar we hebben wel een belangrijke hobbel genomen in de ontwikkeling van de quantumcomputer", aldus Elzerman.