ONTWERP QUANTUM COMPUTER OP BASIS VAN JOSEPHSON-JUNCTIES

Fysici van de TU Delft en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in het Amerikaanse Cambridge hebben een nieuw ontwerp gepresenteerd voor een quantumcomputer (Science, 13 augustus). Bijzonder aan het ontwerp is dat de quantumbits (qubits) met conventionele technieken zijn te maken, zich in grote aantallen aaneen laten schakelen en relatief lange tijd immuun zijn voor verstoringen door de omgeving.

De basiseenheid van een quantumcomputer is de qubit. In tegenstelling tot de bit van de gewone, klassieke computer neemt de qubit niet de waarden 0 òf 1 aan maar een superpositie van beide tegelijk. Het gevolg is dat de hoeveelheid informatie bij een toenemend aantal qubits exponentieel stijgt. Om die reden zijn quantumcomputers bij uitstek uitgerust om notoir lastige problemen, zoals het ontbinden van zeer grote getallen in hun priemfactoren, binnen afzienbare rekentijd te kunnen oplossen.

Het probleem van een quantumcomputer is dat de (gekoppelde) qubits afgeschermd moeten zijn van de omgeving: elke verstoring van buitenaf kan de superpositie waarin een qubit zich bevindt aantasten, wat funest is voor het functioneren. Tot nu toe is geëxperimenteerd met qubits in de vorm van trilholtes, kernspins (gebaseerd op het magnetisme van atoomkernen) of ionenvallen, maar geen van deze systemen biedt zicht op de tienduizenden qubits die nodig zijn wil een quantumcomputer echt interessant worden. Micro-elektronische schakelingen, bijvoorbeeld met quantumstippen (dots), zijn een andere optie, maar dergelijke qubits waren tot nu toe moeilijk af te schermen.

Onder leiding van prof.dr. J.E. Mooij is nu een qubit-systeem ontwikkeld op basis van een supergeleidende schakeling met drie of vier Josephson-juncties, bij elkaar enkele micrometers in omvang. Josephson-juncties bestaan uit twee laagjes supergeleidend materiaal, gescheiden door een isolator die vanwege quantumeffecten toch stroom doorlaat. De 0 en de 1 worden gerepresenteerd door de stroomrichting. Superpositie van beide toestanden wordt bereikt via de door het circuit omvatte magnetische flux, geleverd door een uitwendige magneet, te moduleren via micropulsen in een parallel lopende supergeleidende stroomdraad. Ook voorziet het ontwerp in een mechanisme dat de qubits aan elkaar koppelt.

Berekeningen laten zien dat dergelijke qubits ongeveer een milliseconde van de omgeving zijn af te schermen, veel langer dan in andere systemen het geval is. Bovendien zijn de schakelingen met conventionele elektronenlithografie (een techniek waarmee in Delft grote ervaring is opgedaan) te maken. Vanwege de supergeleiding en de noodzaak tot afscherming ligt de bedrijfstemperatuur vlak boven het absolute nulpunt.

(Dirk van Delft)