Detectie en aanpak van geheugenverlies van quantumbits

 
Een quantumcomputer is een computer die voor het opslaan en bewerken van informatie gebruik maakt van het quantummechanische gedrag van de materie. Een aspect van dat gedrag is de zogeheten spin van afzonderlijke elektronen. Spin is een quantummechanisch verschijnsel waar in het leven van alledag niet direct een analogie voor bestaat. De meest acceptabele vergelijking is echter die van een mini-staafmagneetje. Een staafmagneet - met tegengestelde polen aan de uiteinden - kan in twee richtingen georiënteerd zijn. Dat geldt ook voor de spin; die wijst de ene of de andere richting uit. Als de richting evenwijdig staat aan de richting van een extern magneetveld verkeert de bijbehorende quantumbit in toestand 0. Wijst de richting tegen die van het externe magneetveld in, dan verkeert de quantumbit in toestand 1. Twee quantumbits kunnen gekoppeld worden, wanneer de geleidende structuur waarin de betreffende elektronen zitten - bijvoorbeeld twee quantumdots - heel dicht bij elkaar zitten. De twee spins kunnen dan 'verstrengeld' raken en als ze dat eenmaal zijn, blijven ze dat, zelfs wanneer ze vervolgens ver van elkaar worden verwijderd. Verstrengeling is een echte quantummechanische eigenschap en het behoud ervan is onmisbaar voor de quantumcomputer omdat dit het behoud van de informatie verzekert.

De onderzoekers^*) hebben nu ontdekt dat de gekoppelde elektronspins een sterke invloed ondervinden van het willekeurig gerichte magnetische achtergrondveld dat de spins van de atoomkernen rond de quantumbits oproepen. Dat effect verstoort de elektronspins en daarmee ook de verstrengeling. In het ergste geval raken de spins binnen enkele miljardsten van een seconde hun 'geheugen' kwijt. De onderzoekers hebben dit effect daadwerkelijk weten waar te nemen door de elektrische stroom door twee gekoppelde quantumdots te meten. In hun experiment zorgden ze ervoor dat steeds één elektron in een van de quantumdots bleef zitten en telkens een ander elektron vrijelijk door de twee quantumdots kon bewegen. Bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt is die beweging alleen mogelijk als de spins van de twee elektronen tegengesteld gericht zijn. Door de atoomkernen werd echter de oriëntatie van de elektronspins gewijzigd van evenwijdig naar tegengesteld. Zo konden de onderzoekers direct aan de hand van de stroom meten hoe sterk het 'geheugen' werd verstoord door het magneetveld van de atoomkernspins. Omgekeerd konden ze ook aantonen dat het geheugen veel langer bleef bestaan wanneer ze de koppeling tussen de spins versterkten, en wel door de quantumdots dichter bij elkaar te brengen.

Het versterken van de koppeling is één manier om het geheugen gedurende een gewenste tijd in stand te houden. De onderzoekers zijn echter ook geïnteresseerd in de vraag hoe ze het geheugen van de elektronspins met een zwakkere koppeling kunnen laten voortbestaan. In het experiment bleek dat de gekoppelde elektronspins op hun beurt een gunstige invloed hebben op de spins van de atoomkernen in de quantumdots. Dat lijkt een mogelijkheid te bieden om met behulp van een elektrisch veld de spins van de atoomkernen te sturen en zo hun verstorende invloed op de elektronspins te verminderen en hopelijk zelfs te onderdrukken. Verdere experimenten zullen moeten uitwijzen of dit echt werkt.