AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
Goud als nieuwe bouwsteen voor kwantumcomputers
Een Brits bedrijf en twee Amerikaanse universiteiten denken een oplossing te hebben gevonden voor het grootste probleem in kwantumcomputing: een qubit die zowel stabiel als goedkoop op te schalen is. De sleutel is verrassend genoeg goud, maar dan in de vorm van nanodeeltjes en flinterdunne lagen.
Kwantumcomputers rekenen met qubits, de kwantumversie van een gewone bit. Waar een bit altijd een 0 of een 1 is, kan een qubit tijdelijk in een mengvorm van beide verkeren. Combineer je meerdere qubits, dan groeit het aantal mogelijke toestanden exponentieel, wat kwantumcomputers in theorie razendsnel maakt bij bepaalde berekeningen. Het probleem: elke bekende qubit-technologie moet kiezen tussen stabiliteit en opschaalbaarheid. Ingevangen ionen houden hun kwantumtoestand lang vast, maar zijn lastig in grote aantallen te bouwen. Chips met supergeleidende circuits zijn wel goed te fabriceren, maar verliezen hun kwantuminformatie al na microseconden.
Het Britse bedrijf Delta Gold Technologies denkt dat gouden nanodeeltjes dit dilemma kunnen doorbreken. Het bedrijf financiert twee onderzoeksgroepen die goud op compleet verschillende manieren onderzoeken, maar wel voor hetzelfde doel: een qubit die precies op maat te maken is. Aan de Amerikaanse Penn State University werkt hoogleraar Kenneth Knappenberger met gouden nanoclusters: piepkleine goudklontjes waarin informatie wordt opgeslagen in de spin van elektronen en uitgelezen via gepolariseerd licht. Zijn team meette een spinpolarisatie van ongeveer 40 procent, het hoogste percentage dat ooit in dit type materiaal is gemeten. Bovendien lukt het al om deze nanoclusters in gramhoeveelheden te maken onder gewone laboratoriumomstandigheden, iets waar bijvoorbeeld ionenvallen niet aan kunnen tippen.
Elektrisch in plaats van optisch
Aan de Universiteit van Toronto kiest hoogleraar Harry Ruda voor een andere aanpak. Zijn team bouwt met behulp van Molecular Beam Epitaxy, een techniek waarbij materiaal atoomlaag voor atoomlaag wordt opgebouwd, extreem precieze platte goudstructuren. In plaats van licht gebruiken zij elektrische circuits om de spintoestanden aan te sturen en uit te lezen. Beide sporen zijn inmiddels beschermd met patenten: Penn State diende er drie in, Toronto één voorlopige aanvraag. Daarmee heeft Delta Gold een stevige uitgangspositie te pakken, nog voordat er een werkend apparaat op tafel ligt.
Waarom juist goud?
Het idee ontstond min of meer bij toeval, vertelt Delta Gold-directeur Mike Jones. Een vraag over katalyse aan Ruda leidde via een omweg tot het inzicht dat goud interessante kwantumeigenschappen heeft. Anders dan bijvoorbeeld een defect in een diamant, dat willekeurig ontstaat en dus moeilijk te reproduceren is, kun je een gouden nanocluster gericht ontwerpen. De grootte, de oppervlaktechemie en de moleculen die eraan vastzitten, bepalen samen de eigenschappen. Daardoor kan elke geproduceerde batch dezelfde kwaliteit hebben, in plaats van dat je moet hopen op een gelukkig toeval in de natuur. Dat maakt goud een kandidaat die chemische precisie combineert met de stabiliteit die andere geïsoleerde deeltjes al hadden. Of dit uiteindelijk tot een werkende kwantumcomputer leidt, moet nog blijken: beide onderzoeksgroepen staan nog ver af van een compleet werkend apparaat. Maar de combinatie van hoge coherentie, schaalbare productie en twee onafhankelijke bevestigingsroutes maakt goud in elk geval een serieuze nieuwkomer in een veld dat al decennia naar dezelfde doorbraak zoekt.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als gouden nanoclusters en dunne goudlagen zich bewijzen als qubit-platform, kan dat het lang bestaande dilemma tussen stabiliteit en massaproductie in de kwantumcomputing doorbreken. Dat zou de weg vrijmaken voor kwantumchips die niet alleen goed werken in het lab, maar ook daadwerkelijk in grote aantallen te bouwen zijn.
- Qubit
- De kwantumversie van een bit, die dankzij superpositie tegelijk meerdere waarden kan aannemen.
- Superpositie
- De kwantumtoestand waarin een deeltje tegelijk meerdere waarden of posities kan hebben, in plaats van maar één vaste toestand.
- Spin
- Een kwantummechanische eigenschap van elektronen die te vergelijken is met een intern draaimoment en vaak wordt gebruikt om informatie in op te slaan.
- Spinpolarisatie
- De mate waarin de spins van elektronen in een materiaal dezelfde richting op wijzen, belangrijk om betrouwbaar informatie uit te kunnen lezen.
- Coherentie
- Hoe lang een qubit zijn kwantumtoestand vasthoudt voordat storing van buitenaf die toestand verstoort.
- Molecular Beam Epitaxy (MBE)
- Een techniek waarbij materiaal atoomlaag voor atoomlaag onder vacuüm wordt opgebouwd, wat extreem zuivere en precieze structuren oplevert.
- Nanocluster
- Een groepje van slechts enkele tot enkele honderden atomen, klein genoeg om andere natuurkundige eigenschappen te vertonen dan het gewone metaal.
- Ionenval
- Een techniek waarbij individuele geladen atomen (ionen) met elektrische en magnetische velden worden vastgehouden om als qubit te dienen.
- Diamantdefect (NV-centrum)
- Een zeldzame atomaire onvolkomenheid in een diamantkristal die als qubit kan functioneren, maar waarvan de productie moeilijk te sturen is.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.