Fundamentele beperking aan quantumcomputers
17 juni 2005
Quantumcomputers die hun data opslaan in zogeheten quantumbits (of
qubits) zullen tegen een fundamentele beperking aan lopen. Dat stellen
theoretisch natuurkundigen van de Stichting FOM en de Universiteit
Leiden in een artikel dat ze gepubliceerd hebben in de Physical Review
Letters van deze week.
Essentieel voor het functioneren van een quantumcomputer is dat de
informatie lang genoeg blijft bestaan om er bewerkingen op te kunnen
uitvoeren. Het intact zijn van de quantuminformatie is gegeven door de
zogenaamde coherentie van de qubit. De onderzoekers hebben nu ontdekt
dat de coherentie in de loop van de tijd spontaan verdwijnt, en
daarmee dus ook de opgeslagen informatie. Dit kan een groot probleem
worden bij het daadwerkelijk ontwikkelen van een quantumcomputer.
Een quantumcomputer maakt gebruik van het feit dat een
quantummechanisch systeem - een elektron, een atoom of zelfs een
groter systeem als een supergeleidende quantumbit - tegelijkertijd in
twee toestanden kan verkeren. Normaal gesproken verdwijnt één van de
twee toestanden op het moment dat het systeem met de buitenwereld in
aanraking komt. Coherentie gaat dan verloren door het proces van
decoherentie. De informatie in een quantumbit is op dat moment
verdwenen.
Een quantumbit bestaat typisch uit een groot aantal deeltjes, met
onvermijdelijk een groot aantal mogelijkheden om door de omgeving
beïnvloed en gedecohereerd te worden. Jasper van Wezel,
FOM-onderzoeker Jeroen van den Brink en Jan Zaanen, allen verbonden
aan het Instituut-Lorentz van de Universiteit Leiden, hebben nu
onderzocht of coherentie in een geïsoleerde qubit wèl in stand blijft.
Daarbij hebben ze - tot hun eigen verbazing - ontdekt dat coherentie
de neiging heeft om spontaan te verdwijnen, zelfs zonder invloed van
buitenaf. Het afbraakproces is gekoppeld aan het optreden van
quantummechanische spontane symmetriebreking. In de klassieke fysica
is een voorbeeld van de evenknie van dit proces spontane
kristallisatie in een oplossing. Op een zeker moment vormt zich
spontaan een kristal, waarmee de vloeistofstructuur wordt verbroken.
Coherentie zal volgens de voorspellingen van de onderzoekers in enkele
veelbelovende concepten voor qubits na ongeveer een seconde vervallen.
Bovendien vindt dat proces sneller plaats naarmate de qubit kleiner
is. Dit alles lijkt een fundamentele beperking voor qubits te gaan
vormen. Experimenteel onderzoek zal nu moeten uitwijzen of dit
fenomeen werkelijk optreedt.
Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek