Elektronspin manipuleren
Onderzoekers van het Kavli Instituut voor Nanoscience van de Technische Universiteit Delft en de Stichting FOM zijn er als eersten ter wereld in geslaagd om greep te krijgen op het tollen (de spin) van één enkel elektron in een nanostructuur. Ze kunnen de richting van de spin draaien naar iedere gewenste richting en vervolgens registreren. Hiermee is de spinrichting van een elektron te gebruiken als 'quantumbit', de basis voor de (nog theoretische) toekomstige quantumcomputer. De onderzoekers publiceren over deze wetenschappelijke doorbraak op 17 augustus 2006 in een artikel Nature.
Een elektron bezit niet alleen elektrische lading, maar gedraagt zich ook als een ultraklein magneetje. Dit wordt veroorzaakt door het rondtollen van het elektron rond zijn eigen as, ook wel spin genaamd. De spinrichting van het elektron is in principe te gebruiken als ‘quantumbit’, een belangrijke bouwsteen voor de (theoretisch superieure) toekomstige quantumcomputer. Om een quantumbit te maken wordt een elektron in een halfgeleidermateriaal opgesloten in een 'quantum dot', een soort elektrische val voor het elektron. In 2004 waren de Delftse onderzoekers er al in geslaagd om een enkel elektron op te sluiten en de richting van zijn spin uit te lezen. Vorig jaar slaagde een groep in Harvard erin om de verstrengeling (de quantummechanische koppeling) van twee elektronen onder controle te krijgen.
De laatste stap naar een echte quantumbit, namelijk de mogelijkheid een enkele elektronspin te kunnen draaien, bleef echter lang onbereikbaar. De draaiing van de spin wordt namelijk gerealiseerd door een zeer snel variërend magnetisch veld gedurende enkele miljardsten van een seconde aan en uit te schakelen. De verstorende bijeffecten van een lokaal opgewekt magnetisch veld maakten het lastig om het elektron tegelijkertijd te draaien en toch gevangen te houden.
Ir. Frank Koppens en de andere onderzoekers in het Delftse team, geleid door dr.ir. Lieven Vandersypen, hebben deze verstoringen weten te omzeilen door naast het elektron nog een tweede elektron op te sluiten en dit te gebruiken voor de uitlezing van de spinrichting van het eerste elektron. Een basisprincipe van de quantummechanica zegt namelijk dat twee elektronen met gelijkgerichte spins niet bij elkaar kunnen verblijven en twee elektronen met verschillend gerichte spins wel. Door steeds na de draaiing van de spin te kijken of twee elektronen die zijn opgesloten in twee naburige quantum dots bij elkaar kunnen verblijven of niet, kan worden bepaald of de spinrichting is gewijzigd.
Op dit moment wordt verder onderzoek verricht naar het combineren van de gerealiseerde basisingrediënten voor een quantumbit. Koppens stelt dat de weg nu vrij is om echte quantumbewerkingen te gaan uitvoeren. Volgens hem is het wellicht nog aantrekkelijker om met deze inzichten de eigenaardige eigenschappen van de quantumfysica verder bloot te leggen, bijvoorbeeld door de verstrengeling van twee elektronen aan te tonen. Verstrengeling is ook het centrale thema van de FOM-concentratiegroep voor Solid-State Quantum Information Processing, gevestigd in Delft en ondersteund vanuit de Universiteit Leiden, waar het team van Vandersypen deel van uitmaakt.
Mede-auteurs van het artikel zijn naast Frank Koppens en Lieven Vandersypen verder de masterstudenten Christo Buizert en Klaas-Jan Tielrooij, de promovendi Ivo Vink en Katja Nowack, postdoc Tristan Meunier en hoogleraar en leider van de concentratiegroep Leo Kouwenhoven.
Meer informatie bij:
Frank Koppens, telefoon: (015) 278 14 20
Lieven Vandersypen, telefoon: (015) 278 24 69
Ineke Boneschansker, wetenschapsvoorlichting, telefoon: (015) 278 84 99
Meer informatie via http://qt.tn.tudelft.nl/research/spinqubits/