5 april 2012
Quantumberekeningen ongevoelig gemaakt voor storingen
Wetenschappers van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft en de Stichting FOM hebben samen met collega's uit de VS een nieuwe manier gevonden om quantumberekeningen uit te voeren die ongevoelig is voor storende omgevingsinvloeden. Dit kan een belangrijke stap zijn op weg naar een toekomstige, zeer snelle, quantumcomputer. De onderzoekers publiceren hun resultaten deze week in het prestigieuze tijdschrift Nature.
Afbeelding 1: Artistieke weergave van het onderzoeksresultaat
Door een quantumprocessor van twee quantum bits in diamant te beschermen tegen omgevingsstoringen, konden de onderzoekers een quantum-zoekalgoritme uitvoeren op een ongesorteerde database van vier elementen. Het algoritme stuurt de vier mogelijke oplossingen in een keer de processor in (de blauwe quantumbits op de vier oranje banen), en geeft in een keer de juist oplossing (de groene quantumbits), terwijl een klassieke computer daar gemiddeld meer dan twee pogingen nodig heeft.
Afbeelding 2: Schematische weergave van loskoppeling (a) en het synchroon omklappen van de elektronenspin (b)
(a) De elektronspin kan worden losgekoppeld van de storende omgeving door hem snel om te klappen. Hierbij wordt de elektronspin echter ook losgekoppeld van alle andere qubits. Berekeningen tussen quantumbits zijn daardoor onmogelijk.
(b) Door het omklappen van de elektronspin heel precies synchroon te laten lopen met de dynamica van de kernspin kunnen berekeningen tussen quantumbits toch worden uitgevoerd terwijl het systeem beschermd is tegen de storende omgeving.
Storingen
Quantumdeeltjes, zoals een atoomkern of een elektron, kunnen zich in meerdere toestanden tegelijk bevinden. Zo kan het magnetisch moment van een elektron, de zogenaamde spin, tegelijk twee verschillende richtingen hebben. Als de spinrichting wordt gebruikt als quantumbit in een computer, kan deze dus tegelijk 0 én 1 zijn. Dat maakt supersnel rekenwerk mogelijk. De spins zijn echter extreem gevoelig voor storingen uit de omgeving, wat vooralsnog de ontwikkeling van een grootschalige quantumcomputer verhindert.
Quantum-zoekmachine
De onderzoekers hebben nu een manier gevonden om de quantum-bits te beschermen tijdens het rekenen. Ze voerden met deze nieuwe methode een kwantumberekening uit met een elektronspin en een kernspin (de spin van een atoomkern). Dit gebeurde in een diamanten chip op kamertemperatuur.
Met deze twee-quantumbit processor hebben de onderzoekers een quantum-zoekalgoritme uitgevoerd. Dit zoekalgoritme vindt in één poging een element in een ongesorteerde database van vier elementen, terwijl een klassieke computer daar gemiddeld meer dan twee pogingen nodig heeft. Dit is een demonstratie op kleine schaal van de superieure efficientie van een quantumcomputer. Tegelijk betreft het de eerste uitvoering van een quantum-algoritme met spin-quantumbits op een chip.
Bescherming
Twee jaar geleden liet hetzelfde onderzoeksteam in een artikel in Science al zien dat de spintoestand van een enkel elektron effectief beschermd kan worden tegen storing uit de omgeving. Door de spinrichting van het elektron met hele korte pulsen steeds om te klappen, gedraagt de spin zich alsof hij is losgekoppeld van zijn omgeving. Deze techniek is daarom ideaal voor het beschermen van quantum-informatie die is opgeslagen in een spin. Maar een quantumcomputer moet niet alleen informatie kunnen opslaan, hij moet er ook mee kunnen rekenen. Het toepassen van de ontkoppelingstechniek tijdens het quantumrekenen is problematisch, omdat het elektron ook wordt losgekoppeld van alle andere quantumbits. Berekeningen tussen quantumbits zijn daardoor onmogelijk.
Oplossing
De onderzoekers hebben hier nu een oplossing voor gevonden. Ze bedachten een manier om het omklappen van het elektronspin heel precies te synchroniseren met de dynamica van een tweede quantumbit, de spin van een atoomkern. Hierdoor blijft de interactie tussen de twee spins behouden, terwijl de elektronspin nog steeds goed beschermd is tegen storende omgevingsinvloeden.
Zo konden de onderzoekers een universele set van rekenoperaties van een kwantumcomputer bouwen. Deze set is de basis voor elke quantumberekening, waardoor de elektronspin en de kernspin nu een volledig functionerend twee-quantumbit processor vormen. De komende tijd gaan de onderzoekers de nieuwe techniek toepassen op chips met meer quantumbits.
Het onderzoek is verricht samen met collega’s van Ames Laboratory en Iowa State University, de University of California Santa Barbara en de University of Southern California, allen in de VS. Het onderzoek aan de TU Delft werd mede mogelijk gemaakt door FOM, NWO, de Europese Commissie (SOLID, DIAMANT) en het DARPA QuEST programma.
www.kavli.nl
www.nature.com/nature/journal/v484/n7392/full/nature10900.html
www.fom.nl
