WW: Een draaiend elektron in een doosje

De woensdagmiddag is op GeenCommentaar Wondere Woensdagmiddag. Met extra aandacht voor de nieuwste ontwikkelingen in Wetenschap- en Techniekland.

‘Voor een kwantumcomputer zijn vier bouwstenen nodig’, doceert prof.dr.ir. Lieven Vandersypen, werkzaam bij het Kavli Instituut voor NanoScience aan de TU Delft en dit jaar winnaar van twee prijzen voor zijn werk aan spinnende elektronen in een kwantumdot. ‘Je moet een kwantumbit kunnen initialiseren, uitlezen en gecontroleerd omschakelen. Dat beheersen we in Delft. Ten vierde moet je in staat zijn die qubits te koppelen. Dat kunnen ze in Harvard, en ons zal het binnenkort ongetwijfeld ook lukken. Dan gaan we proberen alle vier de bouwstenen in één experiment samen te brengen.’

Vandersypen studeerde werktuigbouw in Leuven, met een fascinatie voor microscopisch kleine machientjes. Tijdens een periode aan Stanford raakte hij echter geïnteresseerd in kwantummechanica. Toen zijn begeleider daar vertrok naar IBM, ging hij mee om een kwantumlaboratorium te helpen opzetten. Daar werkte hij mee aan de eerste echte kwantumberekening, de factorisatie van het getal vijftien. De door IBM gebruikte methode met kernspins zat echter op een dood spoor. Vandersypen keerde terug naar Europa.

‘Wat mij aantrekt in de kwantuminformatica is dat het drie uiterst fundamentele vakgebieden in zich verenigt’, zegt hij. ‘Dat is natuurlijk de kwantummechanica, maar daarnaast de complexiteitstheorie, die zich bezig houdt met de inherente complexiteit van wiskundige problemen, en de informatietheorie. Die laatste gaat bijvoorbeeld over hoe je een signaal overbrengt ondanks ruis in de omgeving.’

Spin
Vandersypen is gespecialiseerd in spinnende elektronen in kwantumdots. Dit is één manier om een qubit te maken, er zijn er vele meer. Een kwantumdot is een ‘doosje’ waarin een enkel elektron gevangen gehouden wordt. De Delftse variant daarvan bestaat uit een laagje galliumarsenide van enkele nanometers dik. Elektronen kunnen alleen in dat platte vlak bewegen. Boven dat vlak hangt een aantal elektroden, die precies één elektron per kwantumdot op zijn plaats vastpinnen.

Ieder elektron heeft een spin, een kwantumtoestand die erg geschikt is om als kwantum bit te dienen. Voor zijn werk aan spinnende atoomkernen bij Stanford en IBM kreeg Vandersypen dit jaar Nicholas Kurti European Science Prize. Het Delftse vervolgonderzoek heeft hier ook aan bijgedragen en werd daarnaast beloond met de IUPAP Young Scientist Prize for Semiconductor Physics.

‘Een van de uitdagingen op weg naar de kwantumcomputer is te komen tot langere coherentietijden’, gaat Vandersypen verder. ‘Nu blijft een qubit enkele microseconden intact, terwijl een enkele rekenstap tien nanoseconden duurt. Als we de coherentie naar enkele milliseconden kunnen brengen, is er tijd om kwantum-foutcorrectie toe te passen. Dat betekent dat je een fout in een qubit kunt herstellen. En dat op zijn beurt betekent dat je hem zo lang als je wilt in een bepaalde kwantumtoestand kunt bewaren, want iedere keer dat hij zijn toestand verlaat, kun je hem erin terugbrengen.’

‘Om de coherentietijden van spinnende elektronen in een kwantumdot te verhogen, kun je twee aanpakken volgen’, zegt Vandersypen. ‘Ten eerste kun je proberen het effect van storende invloeden uit de omgeving te verminderen. Ten tweede kun je proberen een ander soort kwantumdots te maken, die weinig of geen storende invloeden ondervinden. Wij volgen beide paden.’

Grafeen
Een van de potentiële nieuwe materialen voor een kwantumdot is grafeen, een koolstofrooster van één atoom dik, ter vervanging van galliumarsenide. Vandersypen: ‘Het is leuk om met grafeen bezig te zijn, omdat het een nieuw materiaal is, met bijzondere eigenschappen. We denken dat het potentieel een stabieler kwantumdot kan opleveren. Er is eigenlijk maar één probleempje: het werkt niet.’

Grafeen heeft geen band gap, een deel in het energiespectrum waar elektronen immobiel worden en het materiaal is dientengevolge isolerend. De elektroden kunnen daarom geen elektronen opsluiten in een afgezonderd deel van een velletje grafeen. Een uiterst fundamentele materiaalkundige barrière, lijkt het, maar Vandersypen liet zich er niet door afschrikken: ‘Wij zijn gaan zoeken naar manieren om grafeen alsnog een band gap te bezorgen. Dat blijkt te lukken als je twee lagen grafeen over elkaar legt en er een elektrisch veld over aanbrengt.’

Of het allemaal gaat lukken, valt nog niet te zeggen. Vandersypen is vol goede moed. ‘Maar ook als grafeen uiteindelijk niet geschikt blijkt om qubits van te maken, levert het onderzoek kennis op. Er is veel potentieel voor andere toepassingen.’

Misschien komt het zelfs nog wel eens tot een oude droom van Vandersypen: een combinatie van micromachientjes met kwantummechanica. ‘Twaalf jaar geleden was dat echt een brug te ver, maar inmiddels zijn wetenschappers hard aan het werken om dit voor elkaar te krijgen.’

Dit verhaal verscheen in een iets andere vorm in Technisch Weekblad.