Kwantum computing zonder koeling

Een van de grootste uitdagingen op het gebied van kwantumcomputing is: hoe maak je de essentiële componenten, kwantumbits of qubits genaamd, zó dat zij kunnen bestaan in een solidstate systeem bij kamertemperatuur. De meeste van de huidige systemen moeten het hebben van complexe en kostbare apparatuur die is ontworpen om een enkel atoom of elektron te vangen in een vacuüm, en vervolgens dat hele systeem te koelen tot het absolute nulpunt.

 Diamant

Een groep onderzoekers van  Harvard onder leiding van natuurkundeprofessor Mikhail Lukin samen met de studenten Georg Kucsko en Peter Maurer en postdoctoraal onderzoeker Christian Latta, zegt dat zij het probleem hebben opgelost. Ze deden dat door zich te richten op een van ’s werelds puurste materialen: diamant. Met paren verontreinigingen in ultrapure, in het laboratorium gekweekte diamanten konden zij kwantumbits creëren met een levensduur van bijna twee seconden.

Lukin: "We hebben een qubit, op kamertemperatuur, die we zeer efficiënt en betrouwbaar kunnen meten. We kunnen er data in coderen en we kunnen die data gedurende een relatief lange tijd opslaan. We zien alleen nog wat technische beperkingen, dus het lijkt haalbaar om die opslagtijd te verhogen van seconden tot uren. En dan komen de echte praktische toepassingen in beeld."

NV centrum

De basis voor Lukin’s doorbraak werd al enkele jaren gelden gelegd, toen onderzoekers ontdekten dat NV-centra (nitrogen-vacancy), atomaire onzuiverheden in gekweekte diamanten, zich op dezelfde manier gedragen als afzonderlijke atomen. Ze hebben een spin die kan worden gepolariseerd, zoals bij een staafmagneet. Met behulp van lasers is het niet alleen mogelijk om de spin te besturen, maar ook om de oriëntatie te detecteren als deze na verloop van tijd verandert. Maar het idee om de NV-centra te gebruiken om de backbone van een kwantumcomputer te vormen was niet erg praktisch, vooral omdat zij data maar een miljoenste van een seconde kunnen vasthouden, daarna verdwijnen hun kwantumeigenschappen en daarmee de opgeslagen data. Een ander verontreiniging in het diamantkristal is daaraan schuldig, zegt Lukin.

In hun eerste experimenten gebruikte het team diamanten die 99  procent koolstof-12 atomen bevatten, die geen spin hebben. De rest bestond echter uit koolstof-13 atomen, een isotoop met een spin in de atoomkernen. De interactie met deze spins veroorzaakte, weliswaar zwak, de korte levensduur van de NV-centra. Maar in hun recentere proeven wisten Lukin en zijn team dit probleem juist in hun voordeel om te buigen.

"De kernspin van koolstof-13 vormt een ideale kwantumbit, omdat ze bijzonder geïsoleerd voorkomen", zegt Lukin. "Omdat er maar met heel weinig uitwendige krachten interactie is, hebben ze een relatief lange coherentietijd. Maar door de eigenschappen die ze ideale kwantumbits maken, zijn ze tegelijkertijd moeilijk te meten en manipuleren".

NV-centrum als probe

Lukin en zijn medewerkers kwamen met een verbazend elegante oplossing. Ze gingen niet op zoek naar een manier om de spin van de koolstofatomen te meten, maar lieten de NV-centra dat doen. In samenwerking met onderzoekers van Element Six, een Engels bedrijf dat is gespecialiseerd in de productie van kunstmatige diamanten, ontwikkelden ze een nieuwe techniek om kristallen te vormen die nog veel zuiverder waren: 99,99 procent koolstof-12. Dat kristal werd vervolgens gebombardeerd met stikstof om het NV-centrum te creëren dat reageert met een nabijgelegen koolstof-13 atoom. Het resultaat van die interactie is dat het NV-centrum de toestand van het koolstofatoom spiegelt, wat betekent dat de onderzoekers een informatiebit kunnen coderen in de spin van het atoom en vervolgens de informatie kunnen ‘lezen’ door te kijken naar het NV-centrum.

"Het systeem dat we hebben ontwikkeld gebruikt het NV-centrum als een zeer lokale probe waarmee we de spin kunnen waarnemen", zegt Lukin.

Maar het coderen en lezen van informatie in de spin van een koolstof-13 atoom is slechts een klein stapje op de weg naar de kwantumcomputer. Het effect zou pas echt bruikbaar zijn als gebruik kon worden gemaakt van de kwantumeigenschappen van het atoom: dat is de mogelijkheid om tegelijkertijd twee toestanden aan te nemen. Dat is een fundamenteel principe coor kwantumcomputers. In tegenstelling tot tradtionele computers waarin informatiebits worden gecodeerd als nul of één, werken kwantumcomputers op basis van atomaire kwantummechanica waarbij kwantumbits beide waarden tegelijkertijd hebben. Die eigenschap maakt het in theorie mogelijk dat kwantumcomputers verschillende bewerkingen parallel kunnen uitvoeren.  

Twee stappen

De oplossing die Lukin hiervoor voorstelde was een proces in twee stappen. De eerste stap is het onderbreken van de verbinding tussen het NV-centrum en het koolstofatoom. Met grote hoeveelheden laserlicht konden de onderzoeker het NV-centrum ‘bezighouden’ en interactie met het koolstofatoom voorkomen. In de tweede stap wordt het diamantkristal gebombardeerd met een specifieke serie hoogfrequente impulsen die de interactie tussen het koolstof-13 atoom en nabijgelegen atomen onderdrukt.

"Door interacties met het koolstof-13 atoom te onderdrukken kunnen we de levensduur van de qubit verlengen en de data langer vasthouden", verklaart Lukin. "Het resultaat is dat we in staat zijn om de coherentietijd van een milliseconde op te voeren naar bijna twee seconde."

Aan het onderzoeke wer ook meegewerkt door wetenschappers van het California Institute of Technology en het Max-Planck-Institut für Quantenoptik. De financiering kwan van de National Science Foundation, het Center for Ultracold Atoms, het Defense Advanced Research Projects Agency, Element 6, de Packard Foundation, de Europese Unie, de Swiss National Science Foundation, and the Sherman Fairchild Foundation.