Stichting FOM 5 januari 2011

Betere grip op bouwsteen voor quantumcomputer

Onderzoekers van de Stichting FOM, het Kavli Institute of Nanoscience aan de TU Delft en van de TU Eindhoven, hebben veel meer grip gekregen op de bouwstenen voor een toekomstige, supersnelle kwantumcomputer. Ze kunnen deze bouwstenen (qubits) nu namelijk manipuleren met elektrische velden in plaats van met magnetische velden, zoals tot nu toe gebruikelijk. Bovendien wisten ze deze qubits in te bouwen in nanodraadjes van halfgeleidermateriaal. De onderzoekers publiceerden over hun bevindingen in het tijdschrift Nature van donderdag 23 december.
Figuur 1. Artist's impression van de spin-orbit qubit vergroten Figuur 1. Artist's impression van de spin-orbit qubit Zoals bij het gooien van een jojo, de spin (draairichting) wordt gecontroleerd door het elektron te bewegen.
Credit: Gemma Plum
Figuur 2. Artist's impression van qubits in een nanodraad vergroten Figuur 2. Artist's impression van qubits in een nanodraad Credit: Gemma Plum
Figuur 3. Beeld van een scanning elektronenmicroscoop vergroten Figuur 3. Beeld van een scanning elektronenmicroscoop van het nanodraad-device waarin stuurelectrodes gebruikt worden om de qubits elektronisch te controleren, en toevoer- en afvoerelektrodes gebruikt worden om de toestand van de qubits vast te stellen.

Spin
Een qubit is de bouwsteen van een mogelijke, toekomstige kwantumcomputer. Een dergelijke computer zou veel sneller zijn dan huidige computers. Eén manier om een qubit te maken, is het opsluiten van één enkel elektron in halfgeleidermateriaal. Een qubit kan, net als een gewoon computerbit, de toestanden '0' en '1' aannemen. In een qubit wordt hiervoor de spin van het elektron gebruikt. Deze spin wordt veroorzaakt door het rondtollen van het elektron rond zijn eigen as. Dit tollen kan gebeuren in twee richtingen (die dus de '0'-toestand en de '1'-toestand representeren).

Elektrisch in plaats van magnetisch
Tot nu toe werd de spin van een elektron gecontroleerd via magnetische velden. Maar deze velden zijn zeer moeilijk te genereren op een chip. De elektronspin in de qubits die nu zijn gerealiseerd door de Nederlandse wetenschappers, kan worden gecontroleerd door een spanning of een elektrisch veld, in plaats van door magnetische velden. Deze vorm van controle heeft grote voordelen. FOM-werkgroepleider prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven, onderzoeker aan het Kavli Institute of Nanoscience aan de TU Delft: 'Deze spin-orbit qubits combineren het beste van beide werelden. Ze gebruiken de voordelen van elektronische controle en die van informatieopslag in de elektronspin.'

Nanodraadjes
Er is nog een andere belangrijke noviteit in het Nederlandse onderzoek. De wetenschappers wisten de qubits (twee) namelijk in te bouwen in nanodraadjes van halfgeleidermateriaal (indium-arsenide). Deze draadjes hebben een diameter in de ordegrootte van nanometers en een lengte van micrometers. Kouwenhoven: "Deze nanodraadjes worden steeds meer gebruikt als handige bouwstenen in de nano-elektronica. Nanodraadjes zijn een uitstekend platform voor onder meer
kwantum-informatieverwerking."

Meer informatie
Prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven, hoogleraar Quantum Transport, Kavli Institute of Nanoscience, TU Delft, telefoon: (015) 278 60 64. Ineke Boneschansker, wetenschapsvoorlichter TU Delft, telefoon (015) 278 84 99.

Referentie
Nadj-Perge, S, S.M. Frolov, E.P.A.M. Bakkers & L.P. Kouwenhoven (2010) Spin-Orbit qubit in a semiconductor nanowire. Nature 468, 1084 - 1087.