Supergeleidende sandwich levert bits quantumcomputer

Twee groepen fysici hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de bits van een quantumcomputer (qubits) uit te lezen zonder hun toestand te verstoren. Daarbij maken ze gebruik van een Josephson-verbinding, een sandwich van twee laagjes supergeleidend materiaal met daartussen een islolator. De quantumcomputer, die experimenteel nog in een zeer pril stadium verkeert, haalt in principe een veel hogere rekensnelheid door gebruik te maken van quantumverschijnselen. Beide teams publiceerden hun resultaten in Physical Review Letters (11 nov).

Centraal in de aanpak staat het meten van de elektrische capaciteit van een Josephson-verbinding, genoemd naar de Britse natuurkundige Brian Josephson. Die ontdekte in 1962 als promovendus dat bovenvermelde sandwich, ondanks de aanwezigheid van de isolerende laag, toch supergeleidende stroom geleidt. Reden is het quantummechanische tunneleffect. In de quantumtheorie gedragen deeltjes zich tevens als golven en worden zaken als posities beschreven in termen van waarschijnlijkheden. Gevolg is dat barrières die in de klassieke wereld ondoordringbaar zijn, in de quantumwereld toch een beetje supergeleidende stroom doorlaten.

In het klassieke regime gedraagt een Josephson-verbinding zich als een soort weerstand voor wisselstroom. In de jaren tachtig voorspelden fysici dat bij voldoende kleine afmetingen de sandwich zich zou voordoen als condensator, een opslagplaats voor lading. Dit laatste is nu – onafhankelijk van elkaar – door een Zweeds en Fins-Russisch team experimenteel waargenomen.

Het Zweedse team van de Technische Universiteit Chalmers werkte met een combinatie van twee Josephson-verbindingen. , opgenomen in een elektrische resonantieschakeling. De combinatie werkt als een qubit. De toestanden `laat geen elektronen door' respectievelijk `laat wel elektronen door' zijn als `0' en `1' op te vatten. Een qubit heeft de eigenschap in allerlei samengestelde toestanden van `0' en `1' tegelijk te kunnen verkeren – daaraan ontleent de quantumcomputer zijn kracht. Bij een klassieke computer heeft elke bit een waarde van `0' òf `1'.

Bij een temperatuur van enkele honderdsten van een graad boven het absolute nulpunt (-273 °C) keken de onderzoekers hoe deze schakeling microgolven reflecteerde. Aan de veranderingen viel af te leiden dat het condensatorgedrag van de Josephson-verbinding zich inderdaad manifesteerde. De Fins-Russische groep kwam via een soortgelijke aanpak tot eenzelfde resultaat. Dit was niet eerder waargenomen.

De Finnen gebruikten de reflectie om een qubit uit te lezen zonder zijn toestand te verstoren. Dat is een groot voordeel boven andere typen qubits. Als die worden uitgelezen, gaat dat vaak ten koste van de samengestelde toestand: de qubit wordt dan gewoon `1' of `0', wat de quantumcomputer in zijn hart treft.

De Fins-Russisch-Zweedse vinding is een belangrijke stap in de oplossing voor dit probleem. Maar voor er sprake is van een volwaardige quantumcomputer is het nodig tientallen qubits aan elkaar te koppelen, en die toestand is nog lang niet in zicht.