Print deze pagina 13 juni 2005 2005/09

Fundamentele beperking aan quantumcomputers

Quantumcomputers die hun data opslaan in zogeheten quantumbits (of qubits) zullen tegen een fundamentele beperking aan lopen. Dat stellen theoretisch natuurkundigen van de Stichting FOM en de Universiteit Leiden in een artikel dat ze gepubliceerd hebben in de Physical Review Letters van deze week. Essentieel voor het functioneren van een quantumcomputer is dat de informatie lang genoeg blijft bestaan om er bewerkingen op te kunnen uitvoeren. Het intact zijn van de quantuminformatie is gegeven door de zogenaamde coherentie van de qubit. De onderzoekers hebben nu ontdekt dat de coherentie in de loop van de tijd spontaan verdwijnt, en daarmee dus ook de opgeslagen informatie. Dit kan een groot probleem worden bij het daadwerkelijk ontwikkelen van een quantumcomputer.

Een quantumcomputer maakt gebruik van het feit dat een quantummechanisch systeem - een elektron, een atoom of zelfs een groter systeem als een supergeleidende quantumbit - tegelijkertijd in twee toestanden kan verkeren. Normaal gesproken verdwijnt één van de twee toestanden op het moment dat het systeem met de buitenwereld in aanraking komt. Coherentie gaat dan verloren door het proces van decoherentie. De informatie in een quantumbit is op dat moment verdwenen.

Een quantumbit bestaat typisch uit een groot aantal deeltjes, met onvermijdelijk een groot aantal mogelijkheden om door de omgeving beïnvloed en gedecohereerd te worden. Jasper van Wezel, FOM-onderzoeker Jeroen van den Brink en Jan Zaanen, allen verbonden aan het Instituut-Lorentz van de Universiteit Leiden, hebben nu onderzocht of coherentie in een geïsoleerde qubit wèl in stand blijft. Daarbij hebben ze - tot hun eigen verbazing - ontdekt dat coherentie de neiging heeft om spontaan te verdwijnen, zelfs zonder invloed van buitenaf. Het afbraakproces is gekoppeld aan het optreden van quantummechanische spontane symmetriebreking. In de klassieke fysica is een voorbeeld van de evenknie van dit proces spontane kristallisatie in een oplossing. Op een zeker moment vormt zich spontaan een kristal, waarmee de vloeistofstructuur wordt verbroken.

Coherentie zal volgens de voorspellingen van de onderzoekers in enkele veelbelovende concepten voor qubits na ongeveer een seconde vervallen. Bovendien vindt dat proces sneller plaats naarmate de qubit kleiner is. Dit alles lijkt een fundamentele beperking voor qubits te gaan vormen. Experimenteel onderzoek zal nu moeten uitwijzen of dit fenomeen werkelijk optreedt.

Meer informatie bij dr. Jeroen van den Brink, telefoon (071) 527 55 10.

Het artikel "An Intrinsic Limit to Quantum Coherence due to Spontaneous Symmetry Breaking" is verschenen in Physical Review Letters, week ending 17 June 2005.