Vat op één elektron

Dirk van Delft

CONTROLE van de de draairichting (tolbeweging) van een individueel elektron betekent een belangrijke doorbraak op weg naar een quantumcomputer (Nature, 17 augustus). Een team Delftse fysici, verbonden aan het Kavli Instituut voor Nanoscience, heeft met dit kunststukje de basisingrediënten compleet om een primitieve versie van zo’n computer aan de praat te krijgen.

Een quantumcomputer is in potentie zeer veel krachtiger dan een gewone computer. Dat zit hem in de quantumbits. De waarde die zo’n qubit aanneemt is niet 0 of 1, zoals bij de bits in een pc, maar kan tegelijk 0 én 1 zijn. Een bewerking van een qubit heeft als uitvoer dus de bewerking van een 0 én een 1. Bij drie qubits geeft dat 2×2×2=8 mogelijkheden (bij n qubits 2n). Aldus volstaat een relatief bescheiden aantal qubits om parallel enorme aantallen bewerkingen uit te voeren. Een quantumcomputer is daarmee een bedreiging voor cryptografische codes voor beveiligde communicatie over internet.

Qubits zijn er in meerdere soorten. In Delft is het uitgangspunt de tolbeweging van individuele elektronen in halfgeleidermateriaal. Draaien om de eigen as, spin geheten, kan linksom en rechtsom, corresponderend met de toestanden ‘spin omhoog’ en ‘spin omlaag’. In die opzet is het de uitdaging elektronen van hun omgeving te isoleren, ze aan elkaar te ‘koppelen’ en hun spinrichting te prepareren, te manipuleren en uit te lezen.

Om dit experimenteel te verwezenlijken maakten promovendus Frank Koppens en zijn collega’s gebruik van nano-elektronica, met componenten ter grootte van zo’n tienduizendste millimeter, opererend bij temperaturen vlak boven het absolute nulpunt. Centraal staan quantum dots, op te vatten als doosjes waarin één elektron valt op te sluiten. De afgelopen jaren was het fysici al gelukt de spinrichting van zo’n elektron te bepalen en om twee elektronen quantummechanisch te koppelen. De Delftse groep zet nu een essentiële volgende stap: het op gecontroleerde wijze laten omklappen van de spinrichting.

Dat omklappen gebeurt via een effect dat luistert naar de naam Elektron Spin Resonantie (ESR). Het werkt als volgt. Een uitwendig magneetveld zorgt in de quantum dots voor een energieverschil tussen de toestanden spin omhoog en spin omlaag. Vervolgens klapt een kortstondig wisselend magnetisch veld met de juiste frequentie, loodrecht op het andere veld, de spin om.

Het uitlezen van de spin gaat met behulp van een tweede quantum dot, naast de eerste. Een basisregel uit de quantumtheorie zegt dat twee nabije elektronen niet in dezelfde toestand kunnen zitten: het Pauli-verbod. Wanneer beide dots elk één elektron bevatten, met spins die door het constante magneetveld één kant op staan, kan het elektron uit de eerste dot vanwege het Pauli-verbod niet naar de tweede ‘hoppen’. Wordt nu de eerste spin met ESR omgeklapt, dan zijn de toestanden van beide elektronen verschillend, is de blokkade opgeheven en kan het elektron er wel langs. Aldus verraadt een al dan niet afgeknepen stroompje (slechts miljoensten van miljoensten ampères sterk) de spinrichting. Waarmee in Delft de weg open ligt om een primitieve versie van een quantumcomputer bewerkingen te laten uitvoeren.