Onderzoekers van de Universiteit Hasselt en Imec zijn er in geslaagd om een qubit uit artificiële diamant te maken. “Het grote voordeel van onze diamanten qubits is dat ze elektrisch leesbaar zijn en op kamertemperatuur kunnen werken”, zegt professor Milos Nesladek.
De grote IT-bedrijven zijn momenteel verwikkeld in een race om de eerste werkbare kwantumcomputer op de markt brengen. Vorige maand haalde IBM haar eerste prototype uit het labo. Hoewel het technologiebedrijf haar apparaat al bestempelde als de ‘eerste commerciële kwantumcomputer’, is de technologische realiteit iets omslachtiger. De kwantumcomputer van IBM werkt op basis van supergeleidende qubits. Die moeten gekoeld worden tot net boven het absolute nulpunt (min 273 graden Celsius), waardoor het geheel afgesloten moet worden door een luchtdichte stolp met hittebestendige beglazing.
“Bovendien nemen zulke supergeleidende elektronische circuits veel plaats in beslag”, zegt doctoraatsstudent Jelle Vodnik (Universiteit Hasselt). Het toestel van IBM ziet er nu al uit als een blok van 3 meter hoog. “Als je het aantal qubits wil opschalen, dan zou die nog veel groter worden.”
Zijn onderzoeksgroep gooide het daarom over een andere boeg: in plaats van supergeleiders te gebruiken om qubits te maken, vertrokken ze van ultrazuivere diamant. Diamant bestaat uit koolstofatomen die netjes geordend zitten in een kristalrooster. De onderzoekers hebben één van die koolstofatomen vervangen door een stikstofatoom en een ander hebben ze weggelaten zodat een lege plaats in het rooster ontstaat. “Dat verandert het energieschema waardoor een metastabiele toestand gevormd wordt. Er ontstaan twee manieren om terug te vallen van de aangeslagen toestand naar de grondtoestand”, licht Jelle Vodnik toe. Vergelijk het met een bal die bovenop een berg ligt en die langs twee kanten naar beneden kan rollen. Zolang de bal op de top van de berg ligt, kan hij fungeren als kwantumbit.
Diamant als materiaal voor een kwantumcomputer? Klinkt misschien duur, maar veel heb je er niet van nodig om één kwantumbit te maken, zegt Vodnik. “In principe heb je genoeg aan enkele atomen. Daardoor nemen ze ook minder plaats in dan de qubits die gemaakt zijn met supergeleiders.”
Nog een ander voordeel ten opzichte van die laatste: de diamanten qubits werken gewoon bij kamertemperatuur. “Daardoor kunnen ze veel makkelijker geïmplementeerd worden in technologische toepassingen”, zegt professor Milos Nesladek (UHasselt). Hij is een van de auteurs van het onderzoek dat vrijdag gepubliceerd werd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Science.
IMO-IMOMEC, het geïntegreerde onderzoeksinstituut van de Universiteit Hasselt en Imec, heeft al dertig jaar ervaring in het maken van artificiële diamanten. De Hasseltse natuurkundigen zijn niet de eersten die op het idee kwamen om diamant te gebruiken om qubits te maken. Wel zijn ze er als eerste in geslaagd om zulke qubits gemakkelijk elektrisch te manipuleren en uit te lezen, zonder dat daar een omvangrijke optische opstelling bij komt kijken.
De kracht van kwantumberekeningen
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.
Twee ‘verstrengelde’ qubits kunnen dan tegelijkertijd de combinaties ‘0-0’, ‘1-0’, ‘0-1’ en ‘1-1’ aannemen: vier mogelijkheden. Met 20 gekoppelde qubits zijn er al meer dan een miljoen combinaties tegelijk mogelijk en 100 qubits leveren al meer combinaties op dan het aantal zandkorrels op aarde. De mogelijkheden die 300 verstrengelde qubits ons zouden bieden, overtroeven zelfs het aantal atomen in het universum.
Door die nieuwe manier van rekenen zou een kwantumcomputer een groot aantal scenario’s uit financiële modellen tegelijk kunnen doorrekenen of zelfs de natuur tot op microscopisch niveau kunnen simuleren.
De Hasseltse wetenschappers zijn er in geslaagd om één elektrisch leesbare qubit te creëren, dus momenteel levert de methode nog geen extra rekenkracht op. Om tot echte technologische toepassingen te komen, moeten die nog aan elkaar gekoppeld worden. “We moeten nu een manier vinden om deze qubits te verstrengelen. Maar de eerste stap is in ieder geval gezet”, zegt Nesladek.
“De mogelijkheden liggen hiermee open. Zo zou deze technologie uiteindelijk kunnen leiden tot kwantumsensoren voor satellieten die elektromagnetische velden kunnen meten. In de automobielsector kan deze technologie zorgen voor het zeer nauwkeurig en contactloos uitlezen van elektrische stroom in de batterijen van elektrische wagens.”
1 miljard euro voor onderzoek naar kwantumcomputers
Het onderzoek naar diamanten qubits kadert binnen het Europese Quantum Flagship programma, waarbij de Europese Unie koploper wil zijn in het onderzoek naar kwantumtechnologie. Hiervoor is er door de Europese Unie 1 miljard euro vrijgemaakt om wetenschappers en bedrijven te laten werken rond kwantumtechnologie en de vele toepassingen.
Fout opgemerkt of meer nieuws? Meld het hier