Transistor uit diamant brengt kwantumcomputers dichterbij
Kwantumcomputers zijn voorlopig weinig meer dan een aantrekkelijke theorie. Hoewel wetenschappers naarstig zoeken naar een methode om de eerste echte kwantumcomputer uit de grond te stampen zit het onderzoek nog in zo’n pril stadium dat we het eerste exemplaar volgende week nog niet meteen in onze favoriete computerwinkel moeten verwachten. Toch is de kwantumcomputer iets om naar uit te kijken. Een werkend systeem zou de rekenkracht van onze krachtigste supercomputer in het niets doen vallen.
Bouwsteen
Kwantumcomputers zitten helaas met een fundamenteel probleem: er is nog geen praktische bouwsteen ontwikkeld waaruit ze opgebouwd kunnen worden. Voor de klassieke elektronica is die bouwsteen de transistor. Hoewel een transistor vandaag niet bepaald te vergelijken valt met een exemplaar uit het midden van de vorige eeuw (al is het maar omdat je de hedendaagse exemplaren niet kan zien met het blote oog) bleef de technologie in essentie dezelfde.
Kwantum-onderzoekers moeten een manier vinden om een kwantum bit of q-bit bij te houden. Q-bits kunnen, net als klassieke bits, 0 of 1 zijn, maar omdat quantummechanica is weggelegd voor de echte slimmeriken onder ons kunnen ze ook 0 en 1 zijn, tegelijkertijd. Een superpositie heet zoiets dan. Superposities kunnen geïmplementeerd worden op verschillende manieren. Ionen die vastzitten in elektromagnetische vallen bijvoorbeeld, kunnen theoretisch gezien dienst doen als q-bits, maar onderzoekers aan de Technische Universiteit van Wenen ontdekte pas een eenvoudigere methode.
Diamant
Eenvoudig is natuurlijk relatief in de wereld van de kwantumwetenschap. Wie toch wil weten hoe de methode ongeveer werkt: de wetenschappers injecteerde een stikstofatoom, dat twee verschillende spin-staten kan hebben, in een kleine diamant. Die diamant met het stikstofdefect wordt vervolgens in een trilholte voor lichtgolven geplaatst, bestaande uit twee spiegeltjes. Met een glasvezelkabel koppelde de wetenschappers fotonen aan het kwantumsysteem bestaande uit de diamant met het defect en de spiegeltjes. Op die manier kunnen ze de staat van het kwantumsysteem meten en manipuleren zonder de kwantumeigenschappen van de elektronenspin in de diamant te vernietigen.
Hoe de q-bit exact werkt is voor ons niet-kwantumgeleerden niet van het hoogste belang. Relevant is dat elk systeem één kwantumbit aan informatie kan opslaan: een nul, een één, of een willekeurige superpositie van beiden. Dergelijke kwantumbits zijn helaas inherent onstabiel. Dat wil zeggen dat er een zekere vorm van foutcorrectie nodig is in een werkende kwantumcomputer. Die voorzie je door meerdere kwantumbits onderling te verbinden.
Massaproductie
‘Enkele’ is misschien een understatement. De wetenschappers van de Weense universiteit berekenden dat ze ongeveer 4,5 miljard kwantumbits nodig hebben om het zogenaamde Schor-2048-algoritme te implementeren. Dat algoritme kan alle priemgetallen van een waarde bestaande uit 2048 bits berekenen.
De grote hoeveelheid kwantumbits is noodzakelijk voor elke kwantumcomputer, of hij nu gemaakt wordt uit de diamanten q-bits die in wenen werden uitgevonden, of op een andere manier. Het grote voordeel aan de Weense methode, aldus de onderzoekers, is dat hun kwantumsysteem stevig verkleind kan worden, en zich in theorie leent tot massaproductie. Beide voorwaarden zijn noodzakelijk voor een functionerende kwantumcomputer in de toekomst.
Transistor
Michael Trupke van de TU Wenen vergelijkt de uitvinding van de q-bit in diamant met de transistor: “Toen de eerste transistoren gebouwd werden kon niemand zich voorstellen dat ze niet zo lang daarna bij de miljarden op kleine chips gepropt zouden worden.”
In Wenen rusten ze niet op hun lauweren, de volgende stap is het maken van clustercellen met kwantumbouwstenen. In de komende jaren plannen ze daar in te slagen, en eens dat lukt is het hek van de dam. De kwantumcomputer staat nog niet voor de deur, maar de deur komt al stilaan in zicht.
Kwantumcomputers zijn voorlopig weinig meer dan een aantrekkelijke theorie. Hoewel wetenschappers naarstig zoeken naar een methode om de eerste echte kwantumcomputer uit de grond te stampen zit het onderzoek nog in zo’n pril stadium dat we het eerste exemplaar volgende week nog niet meteen in onze favoriete computerwinkel moeten verwachten. Toch is de kwantumcomputer iets om naar uit te kijken. Een werkend systeem zou de rekenkracht van onze krachtigste supercomputer in het niets doen vallen.
Bouwsteen
Kwantumcomputers zitten helaas met een fundamenteel probleem: er is nog geen praktische bouwsteen ontwikkeld waaruit ze opgebouwd kunnen worden. Voor de klassieke elektronica is die bouwsteen de transistor. Hoewel een transistor vandaag niet bepaald te vergelijken valt met een exemplaar uit het midden van de vorige eeuw (al is het maar omdat je de hedendaagse exemplaren niet kan zien met het blote oog) bleef de technologie in essentie dezelfde.
Kwantum-onderzoekers moeten een manier vinden om een kwantum bit of q-bit bij te houden. Q-bits kunnen, net als klassieke bits, 0 of 1 zijn, maar omdat quantummechanica is weggelegd voor de echte slimmeriken onder ons kunnen ze ook 0 en 1 zijn, tegelijkertijd. Een superpositie heet zoiets dan. Superposities kunnen geïmplementeerd worden op verschillende manieren. Ionen die vastzitten in elektromagnetische vallen bijvoorbeeld, kunnen theoretisch gezien dienst doen als q-bits, maar onderzoekers aan de Technische Universiteit van Wenen ontdekte pas een eenvoudigere methode.
Diamant
Eenvoudig is natuurlijk relatief in de wereld van de kwantumwetenschap. Wie toch wil weten hoe de methode ongeveer werkt: de wetenschappers injecteerde een stikstofatoom, dat twee verschillende spin-staten kan hebben, in een kleine diamant. Die diamant met het stikstofdefect wordt vervolgens in een trilholte voor lichtgolven geplaatst, bestaande uit twee spiegeltjes. Met een glasvezelkabel koppelde de wetenschappers fotonen aan het kwantumsysteem bestaande uit de diamant met het defect en de spiegeltjes. Op die manier kunnen ze de staat van het kwantumsysteem meten en manipuleren zonder de kwantumeigenschappen van de elektronenspin in de diamant te vernietigen.
Hoe de q-bit exact werkt is voor ons niet-kwantumgeleerden niet van het hoogste belang. Relevant is dat elk systeem één kwantumbit aan informatie kan opslaan: een nul, een één, of een willekeurige superpositie van beiden. Dergelijke kwantumbits zijn helaas inherent onstabiel. Dat wil zeggen dat er een zekere vorm van foutcorrectie nodig is in een werkende kwantumcomputer. Die voorzie je door meerdere kwantumbits onderling te verbinden.
Massaproductie
‘Enkele’ is misschien een understatement. De wetenschappers van de Weense universiteit berekenden dat ze ongeveer 4,5 miljard kwantumbits nodig hebben om het zogenaamde Schor-2048-algoritme te implementeren. Dat algoritme kan alle priemgetallen van een waarde bestaande uit 2048 bits berekenen.
De grote hoeveelheid kwantumbits is noodzakelijk voor elke kwantumcomputer, of hij nu gemaakt wordt uit de diamanten q-bits die in wenen werden uitgevonden, of op een andere manier. Het grote voordeel aan de Weense methode, aldus de onderzoekers, is dat hun kwantumsysteem stevig verkleind kan worden, en zich in theorie leent tot massaproductie. Beide voorwaarden zijn noodzakelijk voor een functionerende kwantumcomputer in de toekomst.
Transistor
Michael Trupke van de TU Wenen vergelijkt de uitvinding van de q-bit in diamant met de transistor: “Toen de eerste transistoren gebouwd werden kon niemand zich voorstellen dat ze niet zo lang daarna bij de miljarden op kleine chips gepropt zouden worden.”
In Wenen rusten ze niet op hun lauweren, de volgende stap is het maken van clustercellen met kwantumbouwstenen. In de komende jaren plannen ze daar in te slagen, en eens dat lukt is het hek van de dam. De kwantumcomputer staat nog niet voor de deur, maar de deur komt al stilaan in zicht.
