Nieuwe magnetische resonantietechniek kan een revolutie teweegbrengen in Quantum Computing

In 2001 onthulde een team van natuurkundigen van IBM en Stanford University in Silicon Valley dat ze een opmerkelijke computer hadden gebouwd die de vreemde regels van de kwantummechanica kon benutten om informatie te verwerken.

Deze kwantumcomputer is ontworpen om getallen te ontbinden, een probleem waar conventionele computers vooral moeite mee hebben. Het team demonstreerde het met trots door de twee priemfactoren van het getal 15 (3 en 5, voor het geval je je dat afvroeg) te vinden.

Dat was een indrukwekkende prestatie. Het was mogelijk omdat een kwantumobject tegelijkertijd in twee toestanden kan bestaan, wat neerkomt op een 0 en 1 tegelijkertijd. Met dit soort superpositie kan één kwantumobject met 2 bits tegelijk rekenen, twee kwantumobjecten met vier bits tegelijk, acht kwantumobjecten met 256 bits enzovoort.

De IBM/Stanford had slechts zeven qubits tot zijn beschikking. Maar de belofte van dit soort apparaten is enorm: een computer met slechts 30 qubits zou krachtiger zijn dan elke bestaande conventionele computer.

Maar in de tien jaar daarna heeft niemand een kwantumcomputer gebouwd die veel krachtiger is dan deze. Hoe kan dat?

De IBM/Stanford-machine werkte met behulp van een techniek die magnetische resonantie wordt genoemd. Het idee is om een ​​molecuul te vinden dat atoomkernen bevat die met licht verschillende energieën omhoog of omlaag kunnen draaien. Hierdoor kan elke kern afzonderlijk worden aangesproken met behulp van de techniek van magnetische resonantie.

Dit houdt in dat je ze in een krachtig magnetisch veld plaatst, ze zapt met radiogolven en vervolgens luistert naar de echo. (Iedereen die een MRI-scan heeft gehad, heeft dezelfde behandeling gehad.)

De techniek werkt met allerlei soorten moleculen zoals aceton, cafeïne en zelfs alcohol, hoewel het IBM/Stanford-team een ​​exotisch molecuul gebruikt dat bekend staat als een perfluorbutadienyl-ijzercomplex om hun zeven qubits te krijgen. En het werkt ook nog eens op kamertemperatuur, wat handig is.

Maar hier is het ding. Het signaal van een enkele molecuul is te zwak om deze techniek op te pikken, dus je moet een hele kop moleculen gebruiken om te rekenen. En dat stelt ernstige grenzen aan de schaalbaarheid van de techniek.

Door grotere moleculen te gebruiken om het aantal qubits te vergroten, wordt het signaal dat je van elke qubit kunt oppikken drastisch verminderd. Dus de techniek van magnetische resonantie met behulp van een kopje moleculen werkt gewoon niet voor veel meer dan een handvol qubits.

Daarom zitten natuurkundigen al zo lang vast. Niemand wist tot nu toe hoe je het aantal qubits kon verhogen.

Vandaag zeggen Mike Grinolds en vrienden van de Harvard University dat ze het probleem hebben opgelost. En de manier waarop ze het hebben gedaan, is om het zakelijke uiteinde van een magnetische resonantiemachine te verkleinen tot de grootte van een speldenknop. (Als je ooit een magnetische resonantiemachine hebt gezien, weet je wat een prestatie dat is.)

Ze hebben het gedaan door een krachtige magneet op de scanpunt van een atoomkrachtmicroscoop te plaatsen. Op deze manier kunnen ze een krachtige magnetische veldgradiënt creëren in een ruimte van slechts enkele nanometers breed. Daardoor kunnen ze de magnetische resonantie van afzonderlijke elektronen stimuleren en controleren.

Ze hebben hun apparaat getest op zogenaamde stikstofvacatures in diamant. Deze worden gemaakt door enkele stikstofatomen in dunne platen diamant te begraven. Kwantumfysici zijn gefascineerd door deze vacatures omdat ze goed afgeschermd zijn van de buitenwereld en zo stabiel zijn, en goed te zien zijn aan de fotonen die ze uitzenden.

Deze vacatures kunnen ook dicht bij elkaar worden geplaatst, zodat ze met elkaar kunnen communiceren, een cruciale vereiste voor kwantumcomputers omdat het de creatie van logische kwantumpoorten met meer dan één set in- en uitgangen mogelijk maakt.

Maar zulke poorten werken alleen als de elektronen in de vacatures op de juiste manier gemanipuleerd kunnen worden.

Dat is precies wat de nieuwe magnetische resonantietechniek mogelijk maakt: de manipulatie van elektronen op een manier die gemakkelijk kan worden aangepast voor kwantumberekening.

Grinold en co zeggen dat dit intrigerende potentiële toepassingen heeft, variërend van gevoelige magnetometers op nanoschaal tot schaalbare kwantuminformatieprocessors.

Dat is een spannende doorbraak. Stikstofvacatures in diamant zijn goed bestudeerd in veel laboratoria over de hele wereld en atoomkrachtmicroscopen zijn vrij standaard onderdelen. Tel daarbij op dat de eerste grootschalige kwantumcomputer de eigenaar vrijwel zeker een fatsoenlijke prijs zal opleveren en je hebt alle ingrediënten voor een dolle race.

En dan hebben we het nog niet eens gehad over de talloze andere hardlopers: ionenvallen, kwantumholtes, supergeleidende qubits en optische logische poorten en dergelijke.

In de steeplechase voor kwantumcomputers leek het ooit dat magnetische resonantie in eerste instantie was gedaald. Nu is het weer in de running en jaagt het op voorsprong.

Referentie: arxiv.org/abs/1103.0546 : Quantumcontrole van proximale spins met behulp van magnetische resonantiebeeldvorming op nanoschaal

Je kunt The Physics arXiv Blog nu volgen op Twitter

zich verstoppen