De rijstenkorrellaser wellicht een bouwsteentje van de kwantumcomputer (foto: Princeton-universiteit)
De kwantumtechniek is mooi, onbegrijpelijk en misschien ook wel veelbelovend, maar hoe wordt iets van belofte realiteit? Stukje bij beetje worden subsysteempjes bedacht die die die werkelijkheid dichterbij zouden kunnen halen. Amerikaanse onderzoekers hebben nu een microgolflaser met de grootte van een rijstenkorrel ontwikkeld, die wordt ‘aangedreven’ door afzonderlijke elektronen. Daarmee zou een systeem zijn ontworpen dat elektronen en licht aan elkaar kan koppelen. Dat zou een stapje in de richting van de realisering van een kwantumcomputer zijn gebaseerd op halfgeleiders.
De onderzoekers bouwden het lasertje in een zoektocht hoe je kwantumstippen kunt gebruiken voor een kwantumcomputer. Kwantumstippen bestaan uit halfgeleidermateriaal dat lijkt de functioneren als een enkel atoom. “Kleiner kan niet”, zegt Jason Petta van Princeton. Zijn medeonderzoeker Jacob Taylor van de universiteit van Maryland beschouwt het lasertje als een belangrijke stap richting het grote doel: de verstrengeling van kwantumbits in halfgeleidercomponenten. Het was niet de bedoeling van de onderzoekers een lasertje te bouwen, maar om uit te zoeken hoe dubbele kwantumstippen als kwantumbits kunnen worden gebruikt. Kwantumbits zijn dan weer de bouwblokken van een processor van een kwantumcomputer. Daar gebeurt het allemaal. Kwantumstippen kunnen via dat onbegrijpelijke fenomeen verstrengeling van lichtdeeltjes met elkaar communiceren. Dus ontwikkelden de onderzoekers stippen die fotonen (lichtdeeltjes) uitstralen wanneer afzonderlijke elektronen naar een lager energieniveau springen. Elke dubbele kwantumstip (=kwantumbit) kan maar een elektron per keer overbrengen. Petta: “Het is of een stel mensen via stenen een rivier oversteekt. Elke steen maar groot genoeg voor een persoon. Die dubbele kwantumstippen zijn nuldimensionaal voor wat de elektronen betreft. Ze zijn gevangen in de ruimte.”
De kwantumstippen werden gemaakt van uiterst dunne nanodraadjes van rond 50 nm (1 nm is eenmiljoenste mm) van het halfgeleidermateriaal indiumarsenide. Die werden gedrapeerd over nog dunnere metaaldraadjes, die dienst doen als poortelektrodes, die het energieniveau in de stippen regelen. Om een microgolflaser te maken, vaak maser genoemd, werden twee dubbele stippen ongeveer 6 mm van elkaar geplaatst in een kooi van supergeleidend niobium (althans in de buurt van het absolute nulpunt bij – 273°C). Taylor: “Dit is de eerste keer dat de groep in Princeton heeft aangetoond dat er een verbinding is tussen twee dubbele kwantumstippen op bijna een cm afstand.” Als de laser werd aangezet, stroomden de elektronen via de nanodraad door elke dubbele kwantumstip, waardoor fotonen in het microgolfgebied van het spectrum werden verzonden. Die werden vervolgens door spiegels aan beide einden van de kooi weerkaatst en vormden zo een coherente microgolven. Een voordeel van deze benadering is, volgens Petta, dat de energieniveaus binnen de kwantumstippen kan worden versteld naar andere frekwenties, wat niet gedaan zou kunnen worden met andere halfgeleiderlasers.
Bron: Science Daily