Kwantumcomputers, die werken volgens de vreemde regels van de kwantummechanica, kan op een dag de wereld revolutioneren. Als we er eenmaal in geslaagd zijn om een ​​krachtig werkende machine te bouwen, het zal sommige problemen kunnen oplossen die de computers van vandaag miljoenen jaren kosten om te berekenen.

Computers gebruiken bits (nul of één) om informatie te coderen. Quantumcomputers gebruiken "qubits" - die elke waarde tussen nul en één kunnen aannemen - waardoor ze een enorme verwerkingskracht hebben. Maar kwantumsystemen zijn notoir kwetsbaar, en hoewel er vooruitgang is geboekt bij het bouwen van werkende machines voor sommige voorgestelde toepassingen, de taak blijft moeilijk. Maar een nieuwe aanpak genaamd moleculaire spintronica, biedt nieuwe hoop.

In 1997, theoretisch natuurkundigen Daniel Loss en David DiVincenzo legden de algemene regels vast die nodig zijn voor het maken van een kwantumcomputer. Terwijl normale elektronische apparaten elektrische lading gebruiken om informatie weer te geven als nullen en enen, kwantumcomputers gebruiken vaak 'spin'-toestanden van elektronen om qubits weer te geven.

Spin is een fundamentele grootheid waarover we hebben geleerd via de kwantummechanica. Helaas, het mist een nauwkeurige tegenhanger in de dagelijkse ervaring, ook al wordt soms een analogie gebruikt van een planeet die om zijn eigen as draait.

We weten wel dat elektronen in twee verschillende richtingen of "toestanden" draaien (op en neer genoemd). Volgens de kwantummechanica, elk elektron in een materiaal draait in een combinatie (superpositie) van deze toestanden - een bepaald stukje omhoog en een bepaald stukje omlaag. Dat is hoe u zoveel waarden kunt krijgen in plaats van slechts nul of één.

Een van de vijf vereisten voor het bouwen van een door Loss en DiVincenzo ontwikkelde kwantumcomputer was de mogelijkheid om het systeem op te schalen. Meer qubits betekent meer vermogen. Een andere was om informatie gedurende een redelijke tijd te laten overleven als ze eenmaal gecodeerd was, terwijl andere betrekking hadden op de initialisatie, manipulatie en uitlezing van het fysieke systeem.

Hoewel oorspronkelijk ontworpen voor een kwantumcomputer gebaseerd op elektronenspins in kleine deeltjes van halfgeleiders, het voorstel is nu geïmplementeerd in veel fysieke systemen, inclusief ingesloten ionen, supergeleiders en diamanten.

Maar, helaas, deze vereisen een bijna perfect vacuüm, extreem lage temperaturen en geen storingen om te werken. Ze zijn ook moeilijk op te schalen.

Moleculaire spintronica

Spintronica is een vorm van elektronica die is gebaseerd op spin in plaats van op lading. Spin kan worden gemeten omdat het kleine magnetische velden genereert. Deze technologie, die vaak halfgeleiders gebruikt voor het manipuleren en meten van spin, heeft al een enorme impact gehad op het verbeteren van de opslag van informatie op de harde schijf.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers realiseren zich dat spintronica ook kan worden gedaan in organische moleculen die ringen van koolstofatomen bevatten. En dat verbindt het met een heel ander onderzoeksgebied genaamd moleculaire elektronica, die tot doel heeft elektronische apparaten te bouwen van afzonderlijke moleculen en films van moleculen.

De combinatie is nuttig gebleken. Door de spin van een elektron in een molecuul zorgvuldig te controleren en te manipuleren, het blijkt dat we kwantumberekeningen kunnen doen. De voorbereiding en uitlezing van de spintoestand van het elektron op moleculen wordt gedaan door ze te zappen met elektrische of magnetische velden.

Op koolstof gebaseerde organische moleculen en polymere halfgeleiders voldoen ook aan de criteria om gemakkelijk op te schalen. Ze doen dit door het vermogen om moleculaire raamwerken te vormen, waarbinnen moleculaire qubits dicht bij elkaar zitten. De kleine omvang van een enkel molecuul geeft automatisch de voorkeur aan het samenpakken van grote aantallen op een kleine chip.

In aanvulling, organische materialen verstoren kwantumspins minder dan andere elektronische materialen. Dat komt omdat ze zijn samengesteld uit relatief lichte elementen zoals koolstof en waterstof, wat resulteert in zwakkere interacties met de draaiende elektronen. Dit vermijdt dat zijn spins gemakkelijk kunnen omdraaien, waardoor ze gedurende lange perioden tot enkele microseconden worden bewaard.

In één propellervormig molecuul, deze duur kan zelfs oplopen tot een milliseconde. Deze relatief lange tijden zijn voldoende om operaties uit te voeren - nog een groot voordeel.

Resterende uitdagingen

Maar we hebben nog veel te leren. Naast het begrijpen wat de oorzaak is van een verlengde spin-levensduur van organische moleculen, inzicht in hoe ver deze spins kunnen reizen binnen organische circuits is noodzakelijk voor het bouwen van efficiënte op spin gebaseerde elektronische circuits. De onderstaande afbeelding toont enkele van onze concepten voor verkennende organische spintronische apparaten voor dit doel.

Er zijn ook grote uitdagingen om dergelijke apparaten efficiënt te laten werken. De geladen elektronen die spins in een organisch materiaal dragen, springen constant van molecuul naar molecuul terwijl ze bewegen. Deze huppelactiviteit is helaas een bron van elektrische ruis, waardoor het moeilijk is om kleine spinstroomsignaturen elektrisch te meten met behulp van conventionele architecturen. Dat gezegd hebbende, een relatief nieuwe techniek, bekend als spinpompen, zou geschikt kunnen zijn voor het genereren van spinstromen met weinig ruis in organische materialen.

Een ander probleem bij het proberen om van organische moleculen serieuze kandidaten te maken binnen toekomstige kwantumtechnologieën, is het vermogen om op coherente wijze spins op afzonderlijke moleculen te controleren en te meten, of op een klein aantal moleculen. Deze grote uitdaging boekt momenteel enorme vooruitgang. Bijvoorbeeld, een eenvoudig programma voor een kwantumcomputer bekend als "Grover's zoekalgoritme" is onlangs geïmplementeerd op een enkel magnetisch molecuul. Van dit algoritme is bekend dat het de tijd die nodig is om een ​​zoekopdracht in een ongesorteerde database uit te voeren aanzienlijk verkort.

In een ander rapport een ensemble van moleculen werd met succes geïntegreerd in een hybride supergeleidend apparaat. Het leverde een proof-of-concept in het combineren van moleculaire spin-qubits met bestaande kwantumarchitecturen.

Er moet nog veel gebeuren, maar in de huidige stand van zaken, moleculaire spinsystemen vinden snel verschillende nieuwe toepassingen in kwantumtechnologieën. Met het voordeel van een klein formaat en langlevende spins, het is slechts een kwestie van tijd voordat ze hun plek op de roadmap voor kwantumtechnologieën verstevigen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.