Delfts succes met uitlezen dubbel kwantumbit in Science

Spins in een doosje
In de voorbije jaren hebben wetenschappers van de TU Delft grote vorderingen gemaakt bij het onderzoek naar kwantumberekeningen en de kwantumcomputer. Zo kunnen ze één enkel elektron opsluiten in een ‘kwantumdoosje’ (kwantumdot). De spin van het opgesloten elektron dient als kwantumbit (qubit), de elementaire bouwsteen van een toekomstige, supersnelle kwantumcomputer. De spin is, vereenvoudigd gesteld, de draairichting van het elektron. Draait het elektron de ene kant op, dan is het een spin-up elektron; draait het de andere kant op, dan heet het een spin-down elektron. Deze draairichtingen representeren de toestand ‘0’ of ‘1’ in een qubit.

Dubbel
Het was al langer mogelijk om de spin van één elektron in een qubit uit te lezen; de TU Delft slaagde hier als eerste in. De universiteit was verder de eerste die een enkele spin wist te manipuleren. Nu is een team onderzoekers onder leiding van prof. Lieven Vandersypen van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft er ook als eerste in geslaagd om de toestand van twee spins uit te lezen.

De wetenschappers creëerden twee kwantumdots, met in beide een opgesloten elektron. De uitlezing gebeurt door elk elektron al dan niet uit de dot te laten wegspringen, afhankelijk van zijn spin-toestand. Met een ladingsmeter meten de onderzoekers of het elektron wegspringt, en dan weten ze ook meteen wat de spin-toestand was.

Single shot uitlezing
Dit gebeurt bovendien in één keer (single shot meting). Ieder shot geeft de toestand van allebei spins. Dit is cruciaal om correlaties tussen de twee qubits te kunnen meten. Eerste auteur Katja Nowack: ‘Erg leuk was dat als we twee spins in een zogeheten verstrengelde toestand brachten, de twee spins steeds tegengestelde uitkomsten gaven: als de ene down gaf, gaf de andere up, en vice versa, precies zoals voorspeld door de kwantumtheorie.’ Verstrengeling is een bijzonder kwantummechanisch verschijnsel dat van groot belang is voor kwantum-informatie. Twee verstrengelde spins kunnen niet los van elkaar gezien worden: hun toestanden zijn met elkaar verbonden, ook als ze zich op grote afstand van elkaar zouden bevinden.

Twee-qubit gate
Een qubit kunnen uitlezen is belangrijk, maar je moet er ook mee kunnen rekenen. De Delftse onderzoekers hebben ook voor het eerst volledig aangetoond dat de zogeheten exchange-gate tussen twee spins werkt. Daarbij duwen ze de spins voor een korte tijd (zo’n 10 nanoseconden) dichter bij elkaar, zodat die elkaars invloed voelen en hun spin-toestand deels of geheel wordt uitgewisseld.

Toekomst
In de huidige metingen werd een betrouwbaarheid van 86 procent bereikt. Maar volgens de onderzoekers kan dit getal door technische aanpassingen nog hoger worden. De resultaten suggereren duidelijk dat het mogelijk is om dubbele (of nog uitgebreidere) qubits uit te lezen en dat dit kan worden gebruikt om twee qubit-gates en correlaties te testen. Daarmee is weer een stap gezet op weg naar een functionerende kwantumcomputer.