Wetenschappers van de TU Delft en de Stichting FOM zijn erin geslaagd elektronen tussen ver van elkaar afgelegen quantum dots heen en weer te laten springen. Het elektron sprong daarbij tussen de uiteinden van een keten van drie kleine halfgeleider-eilanden – zogeheten quantum dots – zonder dat het elektron het middelste eiland doorkruiste. Dit proces maakt het gemakkelijker quantum dots te gebruiken in toekomstige quantumcomputers.
Quantum dots zijn halfgeleiderstructuren met afmetingen van enkele nanometers, waarin elektronen kunnen worden opgesloten. Dat opsluiten gebeurt met behulp van negatieve spanning op metalen elektrodes. Door deze spanning nauwkeurig in te stellen, is het mogelijk om elektronen al dan niet heen en weer te laten springen tussen naburige quantum dots. Deze mogelijkheid is de afgelopen vijftien jaar uitgebreid benut in experimenten en vormt de basis voor kwantum-rekenen met quantum dots.
In het nieuwe experiment met drie naast elkaar gelegen quantum dots stelden de wetenschappers de spanning zo in dat de middelste quantum dot niet toegankelijk was voor elektronen. Tot hun verrassing ontdekten de Delftse wetenschappers, onder leiding van professor Lieven Vandersypen, dat een elektron toch op de linker dot kon verdwijnen, om vervolgens op de rechter dot te verschijnen. Dat is mogelijk door het Heisenberg-onzekerheidsprincipe, dat stelt dat energie en tijd niet tegelijk bepaald kunnen zijn. Het onderzoeksteam toonde aan dat dit proces superposities kan genereren: het elektron bevindt zich dan gelijktijdig zowel in de eerste als in de derde quantum dot. ‘Dit betekent dat de interessante fysische verschijnselen die we zien bij naburige quantum dots ook in quantum dots die verder weg liggen blijken af te spelen’, zegt promovendus Floris Braakman.
Kwantumcomputer
De bevindingen hebben gevolgen voor het gebruik van een kwantumcomputer die is gebaseerd op zogeheten quantum dots. Om te rekenen met zo’n computer moeten paren van elektronen dicht bij elkaar kunnen worden gebracht. Voorheen kon dit alleen tussen naburige quantum dots. Nu blijkt dat elektronen op gescheiden quantum dots ook bijeen gebracht kunnen worden, is de opschaling naar grotere ketens van quantum dots veel gemakkelijker. Dat maakt het mogelijk om met een quantum dot-computer complexere berekeningen te doen. De vondst maakt het ook mogelijk om het gedrag van bepaalde moleculen, waarin dezelfde transportverschijnselen van elektronen kunnen plaatsvinden, te onderzoeken en simuleren met behulp van quantum dot-ketens.
Hoe werkt het?
Een beeld van de keten van drie quantum dots, gemaakt met een elektronen-microscoop. De quantum dots worden gevormd door negatieve spanningen op de metalen elektrodes (lichtgrijs) en bevinden zich ter hoogte van de drie cirkels, zo’n honderd nanometer onder het oppervlak. Bovenaan is een vierde, iets grotere, quantum dot te zien. De onderzoekers gebruikten deze dot om uit te lezen hoeveel elektronen zich in elke quantum dot in de keten bevinden.
