211service.com
De Fosfor Atom Quantum Computing Machine
Eind jaren 90 kwam een natuurkundige in Australië met een ontwerp voor een kwantumcomputer. Bruce Kane suggereerde dat fosforatomen ingebed in silicium de ideale manier zouden zijn om kwantuminformatie op te slaan en te manipuleren.
Zijn idee was dat de kern van het fosforatoom een enkele qubit gedurende lange tijd zou kunnen opslaan in de manier waarop het draait. Een magnetisch veld zou dit qubit gemakkelijk kunnen adresseren met behulp van bekende technieken uit kernmagnetische resonantiespectroscopie. Dat zou manipulaties met één qubit mogelijk maken, maar geen operaties met twee qubits, omdat kernspins geen significante interactie met elkaar hebben.
Daarom stelde hij voor om de spin over te brengen naar een elektron dat rond het fosforatoom draait, dat veel gemakkelijker zou interageren met een elektron dat rond een nabijgelegen fosforatoom draait. Twee-qubit-bewerkingen zouden dan mogelijk zijn door de twee elektronen met elektrische velden te manipuleren.
Het grote voordeel van de Kane-kwantumcomputer waar veel natuurkundigen destijds enthousiast over waren, was dat hij schaalbaar was. Aangezien elk atoom afzonderlijk kan worden geadresseerd met behulp van standaard elektronische schakelingen, is het eenvoudig om de computer te vergroten door meer atomen en de bijbehorende elektronische parafernalia toe te voegen en deze vervolgens op een conventionele computer aan te sluiten.
Het bouwen van een Kane-kwantumcomputer is bijna een obsessie geworden in Australië, waar zo'n 100 onderzoekers al meer dan tien jaar aan het probleem werken.
Ze hebben doorbraken gemaakt, zoals het kunnen implanteren van fosforatomen op precieze locaties in silicium met behulp van een scanning tunneling microscoop. Ze zijn ook in staat geweest om de kernspins van deze fosforatomen aan te pakken met behulp van krachtige magnetische velden.
Maar de grote onopgeloste uitdaging was om een manier te vinden om de spin van een individueel elektron in een baan om een fosforatoom aan te pakken en de waarde ervan af te lezen.
Vandaag zeggen Jarryd Pla van de Universiteit van New South Wales in Sydney, en een paar vrienden, dat ze deze taak de eerste keer hebben overwonnen.
Deze jongens implanteerden een enkel fosforatoom in een nanostructuur van silicium en plaatsten het in een krachtig magnetisch veld bij een temperatuur dichtbij het absolute nulpunt. Ze waren vervolgens in staat om de toestand van een elektron dat rond het fosforatoom draait om te draaien door het met microgolven te zappen.
De laatste stap, een grote uitdaging op zich, was het uitlezen van de toestand van het elektron met behulp van een proces dat bekend staat als spin-naar-lading conversie.
Het eindresultaat is een apparaat dat een qubit kan opslaan en manipuleren en het potentieel heeft om logische bewerkingen van twee qubits uit te voeren met atomen in de buurt; met andere woorden de fundamentele bouwsteen van een schaalbare kwantumcomputer.
Deze resultaten geven aan dat de elektronenspin van een enkel fosforatoom in silicium een uitstekend platform is om een schaalbare kwantumcomputer op te bouwen, aldus het team.
Dat lijkt een grote vooruitgang te zijn voor de poging van Australië om een schaalbare kwantumcomputer te maken.
Er is echter een stevige concurrentie ontstaan in de 15 jaar sinds Kane zijn oorspronkelijke ontwerp publiceerde. Natuurkundigen hebben met name een eenvoudige manier gevonden om kwantuminformatie op te slaan en te verwerken in stikstofleegstanddefecten in diamant.
Dan is er D-Wave Systems, dat al een schaalbare kwantumcomputer maakt die op een heel andere manier werkt dan hij beroemd heeft verkocht aan bedrijven als Lockheed Martin en Google.
Het grote voordeel van het Australische ontwerp is de compatibiliteit met de bestaande op silicium gebaseerde chipindustrie. In theorie zal het eenvoudig zijn om deze technologie in toekomstige chips op te nemen.
Of dat in de praktijk ook zo zal zijn, is moeilijk te zeggen. Als eerste op de markt zijn is een groot voordeel in de hightechwereld en het Australische ontwerp is nog jaren verwijderd van het verschijnen uit de laboratoria.
Er zijn nog tal van hindernissen die deze opkomende technologieën kunnen verslaan. Deze race is nog lang niet voorbij.
Referentie: arxiv.org/abs/1305.4481 : Een single-Atom Electron Spin Qubit in Silicium