De ongeëvenaarde mogelijkheden van kwantumcomputers zijn momenteel nog beperkt omdat informatie-uitwisseling tussen de bits in dergelijke computers moeilijk is, vooral over grotere afstanden. FOM-werkgroepleider Lieven Vandersypen en zijn collega's binnen het onderzoekscentrum QuTech en het Kavli Institute for Nanosciences (Technische Universiteit Delft) zijn er voor het eerst in geslaagd om twee niet-naburige quantumbits in de vorm van elektronenspins in halfgeleiders te laten communiceren met elkaar. Zij publiceren hun onderzoek op 10 oktober in Natuur Nanotechnologie .

Informatie-uitwisseling is iets waar we tegenwoordig nauwelijks over nadenken. Mensen communiceren voortdurend via e-mail, mobiele messaging-applicaties en telefoongesprekken. Technisch gezien, het zijn de bits in die verschillende apparaten die met elkaar praten. "Voor een normale computer, dit is absoluut geen probleem, " zegt professor Lieven Vandersypen. "Echter, voor de kwantumcomputer – die in potentie veel sneller is dan de huidige computers – is die informatie-uitwisseling tussen kwantumbits erg complex, vooral over lange afstanden."

Elektronen praten met elkaar

Binnen de onderzoeksgroep van Vandersypen, Promovendus Tim Baart en postdoc Takafumi Fujita werkten aan de communicatie tussen quantumbits. Elk bit bestaat uit een enkel elektron met een spinrichting (spin up ='0' en spin down ='1'). "Uit eerder onderzoek we wisten dat twee naburige elektronenspins met elkaar kunnen interageren, maar dat deze interactie sterk afneemt met toenemende afstand tussen hen, " zegt Baart. " Het is ons nu voor het eerst gelukt om twee niet-naburige elektronen met elkaar te laten communiceren. Om dit te behalen, we gebruikten een kwantummediator:een object dat de informatie tussen de twee spins over een grotere afstand kan uitwisselen."

Bemiddelaar

Baart en Fujita plaatsten de elektronen in zogenaamde kwantumdots, waar ze in positie werden gehouden door een elektrisch veld. Tussen de twee bezette kwantumstippen, ze plaatsten een lege kwantumstip die een energiebarrière zou kunnen vormen tussen de twee spins. "Door het elektrische veld rond de lege kwantumstip aan te passen, we zouden de elektronen in staat kunnen stellen hun spin-informatie uit te wisselen via het superuitwisselingsmechanisme:wanneer de energiebarrière wordt verlaagd, de spin-informatie wordt uitgewisseld, ", zegt Baart. "Hierdoor fungeert de lege kwantumdot als een soort bemiddelaar om de interactie tussen de kwantumbits mogelijk te maken. Verder, we kunnen deze interactie naar believen in- en uitschakelen."

Snelle kwantumcomputer

Het onderzoek van Vandersypen en Baart vormt een belangrijke stap in de bouw van een grotere quantumcomputer waarin de communicatie tussen quantumbits over grote afstanden essentieel is. Nu het concept van deze kwantummediator in de praktijk is aangetoond, de onderzoekers willen de afstand tussen elektronenspins vergroten en ook andere soorten 'mediatoren' tussen de quantumbits plaatsen.

Tim Baart promoveerde op 23 mei 2016 op zijn onderzoek naar deze en andere technologieën. Zijn onderzoek werd gefinancierd door het Graduate Programme van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Voor de fabricage van de chip, de Delftse onderzoekers werkten nauw samen met de ETH in Zürich.