Quantumcomputer dichterbij door siliciumdoorbraak

Nederlandse en Britse onderzoekers hebben een belangrijke stap gezet in het dichterbij brengen van een razendsnelle quantumcomputer van silicium. Ze zijn erin geslaagd om een elektron in silicium tegelijkertijd in twee verschillende quantumtoestanden te brengen met de infrarood vrije-elektronenlaser FELIX van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen. Silicium, het basismateriaal van de moderne elektronica, is eenvoudig te bewerken en biedt daarom belangrijke voordelen ten opzichte van alternatieve manieren om een quantumcomputer te realiseren, zoals complexe 'atom traps'. De onderzoeksresultaten zijn op 24 juni in Nature verschenen in het artikel Coherent control of Rydberg states in silicon.

vergroten Figuur 1. Superpositie

Artistieke impressie van een fosforatoom in een quantumsuperpositie van toestanden. Het atoom verkeert na de juiste bewerking met laserpulsen (links) tegelijkertijd in zijn toestand van laagste energie (grondtoestand: geel) en in aangeslagen, hogere energietoestand (bruin). Die mengeling blijft bestaan tot het atoom na een door de onderzoeker instelbare periode een echo van het opgenomen licht uitzendt.
Credit: Nature

vergroten Figuur 2. De infrarood vrije-elektronenlaser FELIX
De infrarood vrije-elektronenlaser FELIX van FOM-Instituut Rijnhuizen produceert continu afstembare infraroodstraling tussen 40-3700 cm-1, met piekvermogens tot 100 MW in (sub)picoseconde pulsen. De gebruikersfaciliteit wordt benut voor (bio)medisch, (bio)chemisch en (bio)fysisch onderzoek. Met de ingebruikname van de derde bundellijn FELICE zijn intra-cavity experimenten mogelijk, waarbij tot 100 keer meer vermogen beschikbaar is voor experimenten.
Credit: FOM-Rijnhuizen

In het onderzoek laten Britse natuurkundigen van enkele universiteiten (Surrey, UCL en Heriot-Watt) en het London Centre for Nanotechnology, in samenwerking met onderzoekers van het Nederlandse FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, zien dat ze een fosforatoom, een veel voorkomende verontreiniging in silicium, kunnen gebruiken als onderdeel van een toekomstige quantumcomputer. Een quantumcomputer rekent sneller en efficiënter dan conventionele computers door slim gebruik te maken van de bizarre natuurwetten van de quantummechanica. Volgens de natuurkunde van de kleinste deeltjes kan een geheugenelement in een quantumcomputer tegelijkertijd verschillende sets data verwerken en bijvoorbeeld efficiënt codes kraken, onbreekbare codes opzetten, of razendsnel databases doorzoeken.

De onderzoekers gebruikten de infrarood vrije-elektronenlaser FELIX van FOM-Rijnhuizen om het fosforatoom in een speciale combinatie van energietoestanden te brengen. De FELIX-laser was essentiëel voor het onderzoek; het is wereldwijd een van de weinige installaties die de benodigde ultrakorte lichtflitsen met de juiste golflengte en energie produceert. Door de manier waarop ze het fosforatoom belichtten, kreeg het team precieze controle over het tijdstip waarop het atoom de opgeslokte energie weer uitzond - een licht-echo. Dat verschijnsel toont aan dat de Brits-Nederlandse onderzoekers het fosfor exact in de gewenste superpositie van quantumtoestanden kunnen brengen, een criterium voor succesvol gebruik in een quantumcomputer.

Quantumsystemen kunnen tegenintuïtief gedrag vertonen, zoals tegelijkertijd twee tegenstrijdige taken uitvoeren: links- en rechtsom draaien, of levend én dood zijn (de beroemde Kat van Schrödinger). Een computer die zulke 'superposities van toestanden' kan gebruiken, rekent inherent sneller dan een conventioneel systeem. De uitdaging in het bouwen van een quantumcomputer is beheersbaarheid. Een quantumcomputer verliest zijn speciale eigenschappen al bij kleine verstoringen van buiten. In het onderzoek zijn dan ook complexe apparaten nodig: kunstmatige atomen (quantum dots) of extreem koude atomen, gevangen in een vacuüm (atom traps). "Van die atom traps zijn er wereldwijd zo'n 100.000 in natuurkundige laboratoria", stelt mede-onderzoeker Ben Murdin van de University of Surrey. "Ons fosfor-verontreinigde silicium vind je in elk van de 1.000.000.000.000.000.000 transistors op aarde, de fundamentele bouwsteen van computers en andere elektronische apparaten." Door toegang tot de gereedschapskist vol methodes om silicium te bewerken, kunnen onderzoekers de techniek van een volwassen industrie inzetten om quantumcomputers te realiseren.

Referentie
'Coherent control of Rydberg states in silicon', P. T. Greenland, S.A. Lynch, A.F.G. van der Meer, B.N. Murdin, C.R. Pidgeon, B. Redlich, N.Q. Vinh & G. Aeppli, Nature, 24 June 2010.
Link: http://www.nature.com/nature/journal/v465/n7301/full/nature09112.html

Het onderzoek is financieel mede mogelijk gemaakt door de Stichting FOM, NWO, the Engineering and Physical Sciences Research Council (COMPASSS, grant reference EP/H026622/1, and Advanced Research Fellowship EP/E061265/1).

Informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Dr. Britta Redlich, FELIX facility manager, FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, +31 (0)30 609 68 93 of met Dr. Lex van der Meer, Afdelingshoofd Generation and Use of TeraHertz radiation, FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, +31 (0)30 609 67 45.

Top