Delftse onderzoekers beschermen spintoestand van enkel elektron tegen omgevingsinvloeden
Wetenschappers van de Technische Universiteit Delft zijn erin geslaagd om de spintoestand van een enkel elektron volledig te beschermen tegen omgevingsinvloeden. Elektronenspins in de vaste stof zijn veelbelovende bouwstenen voor quantumtechnologieën zoals een quantumcomputer, maar de wisselwerking van de spins met de omgeving bleek tot nu toe een groot struikelblok. Door de spinrichting van het elektron met hele korte pulsen steeds om te klappen, zijn de onderzoekers erin geslaagd deze wisselwerking ongedaan te maken. Hierdoor gedraagt de spin zich alsof hij is losgekoppeld van zijn omgeving. Ze bewijzen verder dat deze techniek werkt voor elke mogelijke spintoestand, en daarmee toepasbaar is in een toekomstige quantumcomputer. De resultaten worden deze week online gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Science.
Quantumdeeltjes zoals een atoom of een elektron kunnen zich in meerdere toestanden tegelijk bevinden. Zo kan bijvoorbeeld het magnetisch momentje van een elektron, de zogenaamde 'spin', tegelijk twee verschillende richtingen hebben. Als de spinrichting wordt gebruikt in een computer, kan het dus tegelijk 0 én 1 zijn, en niet alleen 0 óf 1 zoals bij een gewone computerschakeling. Dat maakt supersnel rekenwerk mogelijk. Het bouwen van een dergelijke quantumcomputer wordt sterk gehinderd doordat de omgeving - ook bestaande uit quantumdeeltjes - de toestand van de spin verstoort.
Het Delftse team werkt met elektronen in diamant, een favoriet materiaal voor quantumwetenschappers. Het unieke aan diamant is dat de quantumeigenschappen ook op kamertemperatuur zichtbaar zijn. Dit is een groot voordeel voor toekomstige toepassingen. De onderzoekers waren er eerder al in geslaagd om de spin van een enkel elektron te meten en om de omgevingsinvloeden in kaart te brengen. Door gebruik te maken van hoogfrequente pulsen van slechts een paar nanoseconden is het Delftse team er nu in geslaagd om de spin van een enkel elektron te controleren met een wereldrecord nauwkeurigheid. Hiermee konden de onderzoekers voor het eerst de spin beschermen tegen de omgeving, een baanbrekend resultaat.
De onderzoekers draaiden de spin met vaste tussenpozen heel precies om, zodat het effect van de omgeving werd uitgemiddeld en het leek alsof de spin volledig geïsoleerd was. Hoe vaker ze de spin omklapten, hoe langer de quantumtoestand behouden bleef. Voor 130 beschermende pulsen was dat al meer dan 25 maal langer dan voorheen was gemeten. Ze toonden tenslotte aan dat de bescherming werkt voor elke mogelijke quantumtoestand. Deze resultaten zijn een grote doorbraak voor de quantumwetenschappen, waar de omgevingsinvloeden tot dusver het grootste struikelblok zijn geweest voor nieuwe fundamentele experimenten en voor toepassingen in quantumtechnologieën.
Het onderzoek vond plaats aan het Kavli Institute of Nanoscience van de Technische Universiteit Delft en stond onder leiding van Ronald Hanson. Het onderzoek is theoretisch ondersteund door collega's van Ames Laboratory of the US Department of Energy in de Verenigde Staten. Eerste auteur Gijs de Lange is als promovendus in dienst van NWO. Het onderzoek werd uitgevoerd met subsidie van de Stichting FOM, NWO, US DOE en DARPA.
Ronald Hanson is als FOM-projectleider met een vaste FOM-aanstelling werkzaam binnen de focusgroep 'Solid State Quantum Information Processing (QIP)'. De focusgroep QIP wordt geleid door prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven. Hanson, lid van de Jonge Akademie van de KNAW, ontving in 2007 een NWO-Vidi beurs voor onderzoek naar quantuminformatie in diamant.
Referentie
"Universal Dynamical Decoupling of a Single Solid-State Spin from a Spin Bath", G. de Lange, Z.H. Wang, D. Ristè, V.V. Dobrovitski, and R. Hanson, Science (DOI: 10.1126/science.1192739), online publicatiedatum: 9 september 2010.
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/science.1192739v1
Het artikel is op aanvraag ook beschikbaar via Ronald Hanson (zie contactgegevens onder de kop 'Informatie').
Informatie
Ronald Hanson, Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology, telefoon (015) 278 71 88.
Kijk voor meer informatie op: http://www.tnw.tudelft.nl/live/pagina.jsp?id=1facd289-2d36-423c-a595-b6f78063b316&lang=en