Hoe nanosnaartjes en quantumbits ‘uit de toon vallen’
De sleutel naar effectief rekenen met een quantumcomputer is het behoud van quantum-informatie. Een klassieke computerbit kent twee toestanden: 1 of 0. Maar een quantumbit heeft de speciale eigenschap dat het niet alleen 1 of 0 kan zijn, maar ook 1 en 0 op hetzelfde moment, en alle toestanden daartussen. De grootste uitdaging voor quantum-wetenschappers is dat een qubit in deze ‘tussentoestanden’ zeer snel zijn quantum-informatie verliest. Dit komt door een proces dat decoherence heet en dat voortkomt uit verstoringen van de qubit door zijn omgeving.
Onderzoekers van de TU Delft hebben nu bestudeerd hoe decoherence gemeten kan worden in mechanische resonatoren: zeer kleine trillende snaartjes gemaakt van koolstof nanobuisjes. Ze vonden dat het proces van decoherence in een trillend nanobuisje vergelijkbaar is met decoherence in een quantumbit. Het onderzoek wordt gepubliceerd in Nature Communications op vrijdag 19 december. De wetenschappers maakten het complexe proces van verlies van quantum-informatie inzichtelijk met behulp van een trillende gitaarsnaar.
Nanosnaartjes
Decoherence vermijden is de sleutel naar een werkende quantumcomputer. Omdat decoherence wordt veroorzaakt door random bewegingen van materie rond de qubits, worden de qubits meestal bestudeerd bij zeer lage temperaturen om hun omgeving zo rustig mogelijk te houden. Quantum-informatie kan ook worden opgeslagen in nanosnaartjes: minuscule trillende koolstof nanobuisjes. Deze buisjes zijn zeer klein en licht en daardoor een bruikbaar instrument om meer te weten te komen over mechanische decoherence. Een belangrijke vraag is of mechanische quantum-resonatoren, quantum-informatie veel langer kunnen vasthouden dan quantumbits. Als dat het geval is, zouden ze namelijk kunnen worden gebruikt als ‘quantumgeheugen’ in een toekomstige quantumcomputer.
De nanosnaar is als een dunne witte draad zichtbaar op deze elektronenmicroscoopopname
De ‘quantumgitaar’ bespelen
‘Eén manier op quantum decoherence uit te leggen, is via een analogie met gitaarspelen. Een trillend nanobuisje is eigenlijk een zeer, zeer kleine gitaarsnaar van slechts 500 nanometer lang, dat is ongeveer 1/160 deel van een haar, en 1 nanometer breed.’, zegt Gary Steele van het Kavli Institute of Nanoscience. Als je een gitaarsnaar aanslaat, begint die te trillen, quantum-informatie kan worden gezien als de beweging van die snaar. Om zinvolle quantumberekeningen te kunnen doen, is het essentieel om precies te weten hoeveel keren de snaar heeft getrild.
‘In theorie is dit gemakkelijk’, vervolgt Steele. ‘Gewoon de frequentie vermenigvuldigen met de tijd. Helaas verstoren twee fenomenen in de echte wereld het trillen van de snaar; ten eerste is er demping, de dissipatie van energie. Nadat je een gitaarsnaar aanslaat, vermindert de amplitude van de trilling en het geluid sterft weg. Als dit gebeurt, gaat er quantum-informatie verloren. Hetzelfde gebeurt ook in een qubit: na enige tijd zal het altijd terugvallen naar de toestand met de laagste energie.’ Dit type decoherence kan in de huidige qubits, zoals spin-qubits, al vertraagd worden tot enkele seconden, wat voor een computer een zeer lange tijd is.
Aan de knoppen draaien
Maar helaas is er nog een lastiger probleem. Tegelijkertijd ‘draait de natuur aan de stemknoppen van de gitaarsnaar’: door invloeden van de omgeving van een qubit, fluctueert de frequentie van de snaar. Terwijl de snaar trilt, draait de natuur op willekeurige wijze aan de knoppen van de gitaarsnaar waardoor de ‘toon’ onvoorspelbaar verandert in de tijd. Daardoor gaat de informatie over hoeveel keer de snaar heeft getrild zeer snel verloren, en dus ook de quantum-informatie. Dit proces van ‘dephasing’ is veel moeilijker te controleren. Decoherence door dephasing in spin qubits kan quantum-informatie bijvoorbeeld al verloren laten gaan na slechts 20 nanoseconden.
Quantumgeheugen
Met een nanobuisje en een nieuwe snelle detectie-techniek, wist de groep van Gary Steele beide decoherence-processen tegelijkertijd te bestuderen in een mechanisch object op nanoschaal. Ze ontdekten dat decoherence van de fase-informatie in de nanomechanische resonator niet alleen werd ‘getroffen’ door dissipatie, wat al vaker is aangetoond door anderen, maar ze zagen ook voor het eerst dephasing: de natuur die aan de gitaarknoppen zit. Dit toont aan dat de decoherence-principes in mechanische objecten vergelijkbaar zijn met die in qubits.
Het voordeel van extreem kleine mechanische resonatoren om decoherence te bestuderen, is dat ze zich kunnen gedragen als quantum-objecten. Maar omdat ze veel groter zijn dan qubits die op één atoom zijn gebaseerd, zouden ze veel minder gevoelig kunnen zijn voor dephasing. Misschien zouden mechanische resonatoren quantum-informatie dus veel langer kunnen opslaan dan qubits, waardoor ze interessante kandidaten worden als toekomstig quantumgeheugen.
Het onderzoek naar decoherence in mechanische resonatoren is tot nu toe gedaan in het klassieke domein. In toekomstige experimenten, wil de groep van Gary Steele vergelijkbare experimenten met resonatoren uitvoeren in het quantum-regime.
Dit artikel is een ingezonden bericht en valt buiten de verantwoordelijkheid van de redactie.