Wetenschappers van de TU Delft en de Stichting FOM zijn erin geslaagd om een stabiele mini-quantumcomputer bestaande uit vier quantumbits op een chip van diamant nauwkeurig uit te lezen. Ze maakten gebruik van ‘verstrengeling’. Dat is een quantummechanisch verschijnsel waarbij de toestanden van twee deeltjes niet los van elkaar gezien worden: hun toestanden zijn verbonden, ook als ze zich op grote afstand van elkaar zouden bevinden.

In een quantumcomputer fungeert de draairichting van individuele elektronen en van atoomkernen als quantumbit: linksom draaien is een ‘0’, rechtsom een ‘1’. Het probleem van quantumbits is dat ze niet stabiel zijn. Ze vervallen snel, waardoor berekeningen vroegtijdig worden afgebroken. Dit vervalprobleem hebben de onderzoekers omzeild door atoomkernen als qubits te gebruiken. Dat zijn relatief stabiele quantumbits, omdat ze nauwelijks wisselwerken met hun omgeving. Ze zijn echter ook lastig ‘uit te lezen’.

Het team van de TU Delft, onder leiding van Ronald Hanson, heeft dit probleem opgelost door de atoomkernen te verstrengelen met een elektron. Dat maakt dat ze de toestand van het elektron kunnen uitlezen en daarmee de oorspronkelijke toestand van de atoomkernen herleiden. De draairichtingen van die kernen worden door deze manier van uitlezen niet verstoord, waardoor de qubits geschikt blijven voor nieuwe berekeningen in de quantumcomputer.

Deze nieuwe meettechniek opent volgens de onderzoekers de deur naar andere onderzoeksgebieden, zoals teleportatie. Ze demonstreren hun techniek op een mini-quantumcomputer bestaande uit vier quantumbits op een chip van diamant. Diamant is een favoriet materiaal voor het bouwen van experimentele quantumcomputers. Het voordeel van dit element is dat hierin quantumtoestanden weinig verstoord worden.

De Delftse kwantumcomputer is een diamantje (een paar duizendste millimeter groot) waarin sommige koolstofatomen zijn vervangen door stikstof. Juist dit ingekapselde stikstof heeft kwantummechanische eigenschappen waarvan bewezen is dat ze zo stabiel zijn dat ze kunnen rekenen.

Daartoe sturen ze een elektron op de diamant af en laten dit in aanraking komen met het qubit. Het gevolg is dat het elektron kwantummechanische eigenschappen van het qubit overneemt – ze raken verstrengeld, noemen fysici dat. Met behulp van een lichtflits meten ze de draairichting van het elektron (bij spin ‘1’ stuurt het elektron een flits terug, bij spin ‘0’ gebeurt er niets). Het nieuwe van het Delftse onderzoek is dat ze met één lichtflits de hele kwantumcomputer kunnen aflezen.

We zijn er nog lang niet. Een verzameling qubits is nog geen computer. Een echte rekenaar voert meerdere berekeningen achtereen uit, haalt gegevens uit zijn geheugen en slaat ze daar weer op. Het volgende probleem is dus: hoe koppel je al die onderdelen van de kwantumcomputer? Hoe zorg je er bijvoorbeeld voor dat een elektron de uitkomst uit het ene qubit ongeschonden overbrengt naar het andere?

Het onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door een Marie Curie Intra European Fellowship uit het Zevende Kaderprogramma, FOM, the European Commission (SOLID) en de Research Corporation for Science Advancement (RCSA). Het artikel is gepubliceerd in Nature.