4 feb. 2014
2 minuten
Het is wetenschappers van Stichting FOM en de Technische Universiteit Delft, werkzaam aan het Kavli Institute of Nanoscience, gelukt om fouten die ontstaan tijdens het bewaren van kwantumtoestanden in een diamant te detecteren en vervolgens op te lossen. Dit is een belangrijke stap richting het beschermen van kwetsbare kwantuminformatie zodat een werkende kwantumcomputer gemaakt kan worden.
Een klassieke bit heeft de waarde ‘0′ of ‘1′. Een kwantumdeeltje kan daarentegen in een superpositie van twee toestanden tegelijkertijd verkeren, wat betekent dat hij ‘0’, ‘1’ óf tegelijkertijd ‘0′ en ‘1′ kan zijn. Zulke kwantumbits maken een krachtige nieuwe manier van informatieverwerking mogelijk. Kwantumbits zijn echter erg kwetsbaar voor fouten, zoals het willekeurig omslaan van de waarde van de bit. De kleinste fouten kunnen opstapelen, zodat de kwantuminformatie uiteindelijk verloren gaat. Het is dus essentieel om fouten tijdig op te sporen en verbeteren.
Kwantumfoutencorrectie
In een klassieke berekening kunnen fouten gedetecteerd en gecorrigeerd worden door extra kopieën van de bits te maken en deze kopieën tussendoor met elkaar te vergelijken. Op het eerste gezicht lijkt deze vorm van foutencorrectie voor kwantumtoestanden onmogelijk. Een kwantumtoestand kan namelijk niet worden gekopieerd. Daarbij zal een kwantumtoestand onherroepelijk veranderen wanneer hij gemeten wordt. En hoe kunnen we weten of er een fout is opgetreden, als we niet eens kunnen weten wat de toestand zelf is?
De theoretische oplossing, die is gevonden in de jaren negentig, is gebaseerd op het principe van verstrengeling. Dit is een tegenintuïtief verschijnsel waarbij kwantumdeeltjes zo sterk verbonden raken dat ze niet meer als aparte toestanden beschreven kunnen worden. Door de kwantumtoestand met meer kwantumbits te versleutelen in zo’n verstrengelde toestand, kunnen onderzoekers de toestanden van de gebruikte kwantumbits vergelijken en zo fouten te detecteren, zonder de oorspronkelijke versleutelde informatie te meten of te verstoren.
Spins in diamant
Dr. Tim Taminiau heeft met zijn collega’s, onder leiding van FOM-werkgroepleider prof.dr.ir. Ronald Hanson, deze kwantumfoutencorrectie experimenteel toegepast bij kamertemperatuur. Eerdere demonstraties werkten alleen bij hele lage temperaturen en in zeer hoog vacuüm. Het team gebruikte voor hun methode elektronen en atoomkernen in een diamant. Deze deeltjes hebben een intrinsieke eigenschap die lijkt op een heel klein magneetje, spin geheten. De twee mogelijke richtingen van deze spin, omhoog of naar beneden, vormen de waarden ‘0′ en ‘1′ van de kwantumbit. De onderzoekers verstrengelden drie kwantumbits en konden daarmee aantonen dat zo kwantumfouten gedetecteerd en gecorrigeerd kunnen worden.
Op weg naar toepassingen van kwantuminformatie
De onderzoekers zijn nu van plan om de kwantumfoutencorrectie uit te breiden zodat zij kwantumtoestanden tegelijkertijd tegen alle soorten fouten kunnen beschermen. Kwantuminformatie die lang en foutloos in stand blijft, kan fundamenteel veilige communicatie en razendsnelle berekeningen mogelijk maken.
"Universal control and error correction in multi-qubit spin registers in diamond", T. H. Taminiau, J. Cramer, T. van der Sar, V. V. Dobrovitski, and R. Hanson, Nature Nanotechnology. DOI 10.1038/nnano.2014.2
Dit onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van het Ames Laboratory en de Iowa state University in de Verenigde Staten.
De TU Delft publiceerde eerder een filmpje over een andere publicatie over kwantumcomputers. Het filmpje met uitleg over superposities, verstrengeling en kwantumbits is hieronder te zien..
;
Anderen lazen ook
