In tegenstelling tot een traditionele computer, waarbij iedere bit uit ofwel een eentje ofwel een nulletje bestaat, gebruiken kwantumcomputers 'qubits'. Het bijzondere aan deze 'quantum bits' is dat ze zich in een toestand van 'superpositie' kunnen bevinden: ze kunnen tegelijkertijd zowel '0' als '1' zijn. Daarom zou een kwantumcomputer - in theorie - exponentieel meer berekeningen kunnen uitvoeren dan een binaire computer.

De laatste jaren is een wereldwijde race aan de gang om zo'n kwantumcomputer ook in de praktijk te realiseren. Daarbij zijn al verschillende kandidaat-qubits de revue gepasseerd: eentje op basis van de spin van een elektron, eentje op basis van de polarisatie van een foton, eentje op basis van supergeleiders, enzovoort.

Nu hebben onderzoekers van MIT de 'grafeen-qubit' aan dat rijtje toegevoegd. Hun methode doet denken aan de manier waarop eerder al 'supergeleidende qubits' werden gemaakt. Daarbij wordt een dunne isolator gesandwicht tussen twee supergeleidende materialen. Een kwantummechanisch effect zorgt er dan voor dat elektronen door de isolator heen gaan tunnelen. Doordat het elektron voortdurend heen en weer springt tussen de twee supergeleidende materialen, bevindt het zich in twee toestanden tegelijk: het wordt een qubit.

Sandwich van honingraten

Onderzoekers van MIT hebben nu hetzelfde sandwich-principe gebruikt, maar dan met een laagje grafeen dat tussen twee laagjes hexagonaal boornitride aangebracht werd. Beide materialen zien eruit als een honingraat van één atoomlaag dik en zijn - net als legoblokjes - gemakkelijk op elkaar te stapelen. Doordat die laagjes zo perfect op elkaar passen, ontstaan er geen onzuiverheden en worden de elektronen niet gehinderd terwijl ze heen en weer tunnelen. Dat zorgt voor minder energieverlies.

Een ander voordeel van deze methode is dat je de elektronen van toestand kan laten veranderen door de spanning te controleren. Dat lijkt veel meer op het principe van de transistor die gebruikt wordt in klassieke computerchips, menen de onderzoekers. Doordat je de toestand via de spanning kan controleren, neemt deze qubit ook minder ruimte in dan de supergeleidende qubits, zodat er veel meer op één chip kunnen geplaatst worden.

De onderzoekers slaagden erin om de grafeen-qubits 55 nanoseconden lang in een toestand van superpositie te houden, waarna ze terugvielen naar hun grondtoestand. Dat klinkt kort en dat is het ook. Met andere supergeleiders worden qubits gemaakt met een levenstijd tot tien microseconden, zo'n honderd keer groter.

Wel is het de eerste keer dat zo'n levenstijd voor qubits op basis van grafeen gerapporteerd werd. De resultaten werden gepubliceerd in Nature Nanotechnology. De wetenschappers onderzoeken nu hoe ze de qubits langer in leven kunnen houden.