Overal ter wereld zijn knappe koppen bezig met de ontwikkeling van kwantumtechnologie. Een van de grote uitdagingen is om de qubits onder controle te krijgen en op een betrouwbare manier af te lezen. Canadese onderzoekers zetten een grote stap in de goede richting door de ontwikkeling van een nieuw optisch systeem.
De uitzonderlijk krachtig methode waarbij groen laserlicht wordt uitgesplitst in extreem kleine lichtbundels en op individuele bariumionen wordt gericht, is een belangrijke mijlpaal op weg naar een functionele kwantumcomputer in de nabije toekomst. De nieuwe machine is ontwikkeld door een team van de Canadese University of Waterloo en gebruikt een kleine glazen golfgeleider, waarmee de laserstralen uit elkaar worden gehaald. Er zit uiteindelijk slechts vier micron tussen de verschillende groene lichtstralen die focussen op de atomaire deeltjes. Dit komt neer op een afstand die 25 keer zo klein is als de dikte van een menselijke haar. De precisie en de omvang waarmee alle laserstralen tegelijk op hun respectievelijke qubit-doelwitten worden gefocust, is ongeëvenaard.
Met ionen ‘praten’
“Door onze opzet valt er maar 0,01 procent van het laserlicht op een naburige ion. Dit is een extreem laag percentage. Het is een van de beste uitkomsten vergeleken met ander kwantumonderzoek waar dan ook ter wereld”, zegt onderzoeker Rajibul Islam.
“Andere methodes die de controle probeerden te houden over individuele ionen stuitten op problemen, maar onze modulatoren beïnvloeden elkaar niet. Dit betekent dat we met elke ion kunnen ‘praten’ zonder zijn buren te verstoren. Dit is voor zover bekend het meest flexibele ion-qubit-controlesysteem ter wereld. Het heeft ook nog eens de hoogste precisie van alle systemen die ontwikkeld zijn in de academische en industriële wereld”, klinkt het trots.
Groene lasers
De onderzoekers focusten op bariumionen, die steeds populairder worden bij kwantumwetenschappers. Die hebben namelijk heel handige energiestaten die als 0- en 1-waardes van een qubit gebruikt kunnen worden. Bariumionen reageren bovendien op zichtbaar groen licht, waardoor er geen hoger energetisch ultraviolet licht nodig is.
Veel andere atoomtypes hebben wél ultraviolet licht nodig om dezelfde manipulatie te bewerkstelligen. Zo kunnen onderzoekers commercieel verkrijgbare optische technologieën. zoals groene lasers, gebruiken. Deze mogelijkheden zijn er niet voor ultraviolette golflengtes.
Natuurlijke qubits
De onderzoekers ontwikkelden een golfgeleidende chip die een enkele laserstraal in zestien verschillende lichtkanalen omzet. Vervolgens wordt elk kanaal richting een individuele optische modulator gestuurd, die onafhankelijk van andere modulatoren de intensiteit, de frequentie en de fase van de laserstralen kan aanpassen. Hierna wordt een serie optische lenzen gebruikt die wel wat weg hebben van een telescoop, om op de individuele bariumionen in te zoomen.
“Dit werk is onderdeel van onze missie aan de University of Waterloo om bariumion-kwantumprocessoren te bouwen met behulp van atomaire systemen”, aldus onderzoeker Crystal Senko. “We gebruiken ionen omdat het identieke, natuurlijke qubits zijn. We hoeven ze niet te maken en het is onze taak om manieren te vinden om ze onder controle te houden.”
Een qubit, ook wel qbit of kwantumbit genoemd, is een eenheid van kwantuminformatie die kan worden gezien als een kwantummechanische versie van een klassieke databit. Een qubit maakt gebruik van het kwantummechanische fenomeen van superpositie om een lineaire combinatie van twee statussen te krijgen. Een klassieke binaire bit kan maar één binaire waarde vertegenwoordigen, een 0 of 1, wat betekent dat die slechts een van twee mogelijke statussen kan hebben. Een qubit kan echter een 0, een 1 of elk deel van 0 en 1 vertegenwoordigen in de superpositie van beide statussen. Hierbij is er een bepaalde waarschijnlijkheid van 0 en een bepaalde waarschijnlijkheid van 1. Deze superpositie geeft kwantumcomputers een superieure rekenkracht. De hoeveelheid gegevens die een qubitsysteem kan verwerken, groeit exponentieel. Een klassieke computer zou miljoenen jaren nodig hebben om de priemfactoren van een 2.048-bits getal te vinden. Qubits kunnen de berekening in slechts enkele minuten uitvoeren.
Er zijn grofweg vier toepassingen van kwantumcomputers te benoemen:
- Meer precieze berekeningen met grotere hoeveelheden data oplossen.
- Complexe systemen simuleren en zo allerlei problemen oplossen uit de vastestoffysica, kwantumchemie, materiaalkunde en hoge-energiefysica. Door de kwantummechanische interacties tussen atomen, elektronen en fotonen kan een kwantumsimulator andere complexe systemen nabootsen.
- Veilige dataverbindingen opzetten met behulp van kwantumcommunicatie.
- Hoogwaardige metingen door kwantumsensing: kwantumsensoren kunnen preciezer en op hogere resolutie dan traditionele sensoren veranderingen in temperatuur, straling, versnelling, tijd en elektrische of magnetische velden waarnemen. Hiermee kunnen extreem kleine structuren, zoals DNA, worden doorgemeten.
