Onderzoekers van het Paul Scherrer Institute (PSI) hebben een gedetailleerd plan opgesteld over hoe sneller en beter gedefinieerde kwantumbits - qubits - kunnen worden gemaakt. De centrale elementen zijn magnetische atomen uit de klasse van de zogenaamde zeldzame aardmetalen, die selectief in het kristalrooster van een materiaal zou worden geïmplanteerd. Elk van deze atomen vertegenwoordigt één qubit. De onderzoekers hebben aangetoond hoe deze qubits geactiveerd kunnen worden, verstrikt, gebruikt als geheugenbits, en uitlezen. Ze hebben nu hun ontwerpconcept en ondersteunende berekeningen gepubliceerd in het tijdschrift PRX Quantum.

Op weg naar kwantumcomputers, een eerste vereiste is het creëren van zogenaamde quantumbits of 'qubits':geheugenbits die, in tegenstelling tot klassieke stukjes, niet alleen de binaire waarden nul en één aannemen, maar ook elke willekeurige combinatie van deze toestanden. "Hiermee, een geheel nieuw soort berekening en gegevensverwerking mogelijk wordt, wat voor specifieke toepassingen een enorme versnelling van rekenkracht betekent, " legt PSI-onderzoeker Manuel Grimm uit, eerste auteur van een nieuw artikel over het onderwerp qubits.

De auteurs beschrijven hoe logische bits en elementaire computerbewerkingen daarop kunnen worden gerealiseerd in een magnetische vaste stof:qubits zouden zich bevinden op individuele atomen uit de klasse van zeldzame-aarde-elementen, ingebouwd in het kristalrooster van een gastheermateriaal. Op basis van de kwantumfysica, de auteurs berekenen dat de kernspin van de zeldzame aardatomen geschikt zou zijn voor gebruik als informatiedrager, dat is, een qubit. Ze stellen verder voor dat gerichte laserpulsen de informatie tijdelijk kunnen overbrengen naar de elektronen van het atoom en zo de qubits activeren, waardoor hun informatie zichtbaar wordt voor omringende atomen. Twee van dergelijke geactiveerde qubits communiceren met elkaar en kunnen dus 'verstrengeld' raken. Verstrengeling is een speciale eigenschap van kwantumsystemen van meerdere deeltjes of qubits die essentieel is voor kwantumcomputers:het resultaat van het meten van één qubit is direct afhankelijk van de meetresultaten van andere qubits, en vice versa.

Sneller betekent minder foutgevoelig

De onderzoekers laten zien hoe deze qubits kunnen worden gebruikt om logische poorten te maken, met name de 'gecontroleerde NIET-poort' (CNOT-poort). Logische poorten zijn de basisbouwstenen die klassieke computers ook gebruiken om berekeningen uit te voeren. Als voldoende veel van dergelijke CNOT-poorten en single-qubit-poorten worden gecombineerd, elke denkbare rekenkundige bewerking wordt mogelijk. Ze vormen daarmee de basis voor kwantumcomputers.

Dit artikel is niet de eerste die op kwantum gebaseerde logische poorten voorstelt. "Onze methode om de qubits te activeren en te verstrengelen, echter, heeft een beslissend voordeel ten opzichte van eerdere vergelijkbare voorstellen:het is minstens tien keer sneller, " zegt Grimm. Het voordeel, Hoewel, is niet alleen de snelheid waarmee een op dit concept gebaseerde kwantumcomputer zou kunnen rekenen; bovenal, het gaat in op de gevoeligheid van het systeem voor fouten. "Qubits zijn niet erg stabiel. Als de verstrengelingsprocessen te langzaam zijn, er is een grotere kans dat sommige qubits in de tussentijd hun informatie verliezen, " legt Grimm uit. Uiteindelijk wat de PSI-onderzoekers hebben ontdekt is een manier om dit type kwantumcomputer niet alleen minstens tien keer zo snel te maken als vergelijkbare systemen, maar ook minder foutgevoelig door dezelfde factor.