Nieuwe stap richting kwantumcomputer

Experiment lijkt schaalbare qubit-manipulaties te vereenvoudigen

Het is Oostenrijkse natuurkundigen gelukt een kwantumcomputerberekening te doen door te kijken naar de beweging en elektrische toestand van én enkel atoom. De methode is eenvoudig schaalbaar, stellen de onderzoekers. Dit is een belangrijke stap richting kwantumcomputer.

De manipulatie is eenvoudiger dan eerdere kwantumberekeningen, zoals het manipuleren van de magnetische resonantie van atoomkernen, schrijven Stephan Gulde en zijn collega's van het Instituut voor Experimentele Fysica in Innsbruck en het Amerikaanse MIT, in het tijdschrift Nature van 2 januari. Als bewijs voerden de Oostenrijkers een 'computerprogramma' aan hun 'processor', bestaande uit één calciumatoom.
Conventionele computers voeren berekeningen uit met bits (binaire digits), met als waarde nul of een. Kwantumcomputers manipuleren qubits (kwantum bits), die tegelijkertijd nul en een zijn. Een qubit kan daardoor meerdere berekeningen tegelijk aan. Als ze ooit gebouwd worden, dan voeren kwantumcomputers grote aantallen berekeningen parallel uit.

Afkoelen

De Oostenrijkers zetten een calciumatoom, met een elektron te weinig zodat het deeltje positief geladen is, vast in een elektrisch veld. Ze beschieten het ion (een atoom met elektrische lading) vervolgens met licht van een titanium-saffier laser. Door de specifieke frequenties van het licht raakt het ion niet verhit, maar straalt het juist meer licht uit, waardoor het afkoelt. Op die manier schakelen de onderzoekers de invloed van de omgeving op het ion uit. Dat stelt ze in staat met opnieuw pulsjes laserlicht de elektrisch lading en de trillingen van het ion te controleren, ofwel de qubit-waarden te laden en te lezen. "Dit is in principe makkelijk te schalen naar vele qubits", schrijven de onderzoekers.

Kop of munt

Met het aansturen van het calciumion voerde Gulde het 'Deutch-Jozsa' algoritme uit. Dit wiskundige stelsel is genoemd naar David Deutsch en Richard Jozsa, grondleggers van kwantumberekeningen. Het gaat met qubits na of een munt 'eerlijk' is. Een munt is eerlijk als beide zijden ongelijk zijn. Zijn de twee zijden gelijk (beide kop of beide munt) dan is het geldstuk vals.
"Je moet beide kanten bekijken om dit te zien, ofwel twee waarnemingen doen", aldus een van de onderzoekers. "Pas je het algoritme van Deutsch en Jozsa toe, dan bekijk je van bijvoorbeeld vier munten beide kanten tegelijk en krijg je een combinatie van de resultaten waaruit blijkt welke munten eerlijk zijn en welke vals."
De eerste ideeën voor kwantumcomputers zijn ruim dertig jaar oud. Uitvoerbare technieken zijn pas in het afgelopen decennium bedacht. "Dit is de eerste niet voor meerdere uitleggen vatbare demonstratie van kwantumberekeningen", reageert een Britse Kwantumonderzoeker in Nature. Weekblad The Economist concludeert: "De dag komt dichterbij dat met kwantumcomputers het tellen van munten belangrijker wordt dan het opgooien ervan."

 
Gijs Hillenius