Onderzoekers van het Kavli-instituut voor Nanoscience van de Technische Universiteit Delft en de Stichting Fom zijn er als eersten ter wereld in geslaagd om greep te krijgen op het tollen van een enkel elektron in een nanostructuur. Ze kunnen de richting van de spin draaien naar iedere gewenste richting en vervolgens registreren. Hiermee is de spinrichting van een elektron te gebruiken als kwantumbit, de basis voor de (nog theoretische) toekomstige kwantumcomputer.
Een elektron bezit niet alleen elektrische lading, maar gedraagt zich ook als een minuscuul magneetje. Het rondtollen van het elektron rond zijn eigen as, oftewel de spin, veroorzaakt dit kleine magneetveld. De spinrichting van het elektron is in principe te gebruiken als kwantumbit. Om een kwantumbit te maken wordt een elektron in een halfgeleidermateriaal opgesloten in een kwantumdot, een elektrische val voor het geladen deeltje. In 2004 slaagden Delftse wetenschappers er al in om een enkel elektron te vangen en de richting van zijn spin uit te lezen. Vorig jaar lukte het een onderzoeksgroep uit Harvard om de verstrengeling (de kwantummechanische koppeling) van twee elektronen onder controle te krijgen.
Voor een echt kwantumbit moet het ook nog mogelijk zijn de spin van een enkele elektron te draaien. Deze laatste stap was lang onbereikbaar. De draaiing van de spin wordt namelijk gerealiseerd door een zeer snel variërend magnetisch veld gedurende enkele nanoseconden aan en uit te schakelen. De verstorende bijeffecten van een lokaal opgewekt magnetisch veld maakten het lastig om het elektron tegelijkertijd te draaien en toch gevangen te houden.
Frank Koppens en de andere onderzoekers in het Delftse team hebben deze verstoringen weten te omzeilen door naast het elektron nog een tweede elektron op te sluiten en dit te gebruiken voor de uitlezing van de spinrichting van het eerste elektron. Een basisprincipe van de kwantummechanica zegt namelijk dat twee elektronen met gelijkgerichte spins niet bij elkaar kunnen verblijven en twee elektronen met verschillend gerichte spins wel. Door steeds na de draaiing van de spin te kijken of twee elektronen die zijn opgesloten in twee naburige kwantumdots bij elkaar kunnen verblijven of niet, kunnen de onderzoekers bepalen of de spinrichting is gewijzigd.
PhD pitches at the Benelux RF Conference
Learn about the latest trends and developments in high-end RF techniques. On 24 May, the Benelux RF Conference will take place in Nijmegen. New this year are the PhD pitches, in which young professionals present their research results. Make sure to reserve your seat in time and register now.
Op dit moment doen de TUD‘ers verder onderzoek naar het combineren van de gerealiseerde basisingrediënten voor een kwantumbit. Volgens Koppens is de weg vrij om echte kwantumbewerkingen te gaan uitvoeren.