Onderzoekers van de Universiteit van New South Wales zijn erin geslaagd om atoomkernen met elkaar te doen praten over een afstand van 20 nanometer. Toegegeven: dat is een piepkleine afstand in onze wereld, maar in de wereld van computers is het net genoeg.
Maar eerst: wat is een kwantumcomputer überhaupt? Een kwantumcomputer werkt op een totaal andere manier dan de gewone computers die we elke dag gebruiken. In plaats van bits die alleen 0 of 1 kunnen zijn, maakt een kwantumcomputer gebruik van zogenoemde qubits, die tegelijkertijd zowel een 0 als een 1 kunnen zijn. Daarnaast kunnen qubits met elkaar verstrengeld raken, wat betekent dat de toestand van de ene qubit meteen invloed heeft op die van de andere, zelfs als ze op een afstand van elkaar staan. Door deze twee eigenschappen kunnen kwantumcomputers bij bepaalde problemen talloze berekeningen tegelijk uitvoeren. Dat maakt ze geschikt voor taken waar klassieke computers eindeloos lang over doen. Voorbeelden zijn het nabootsen van moleculen voor nieuwe medicijnen of het kraken van complexe codes.
Kwantumcomputers bouwen is echter niet eenvoudig. Een groot praktisch obstakel is dat qubits heel kwetsbaar zijn voor invloeden van buitenaf, zoals ruis, temperatuur of elektromagnetische velden, waardoor ze streng geïsoleerd moeten worden. Tegelijkertijd moeten ze ook met elkaar kunnen communiceren voor berekeningen. Die tegenstelling tussen isolatie en connectiviteit is één van de grootste technische hindernissen om kwantumcomputers op grote schaal te bouwen.
Elektronen als telefoonlijnen
In die context is de nieuwe doorbraak belangrijk. De onderzoekers ontdekten dat de kernen van twee verstrengelde fosforatomen op een siliciumchip met elkaar kwantuminformatie kunnen uitwisselen tot op een afstand van 20 nanometer. Elk elektron is verbonden met een atoomkern, die de informatie op kwantumniveau vasthoudt. Zo fungeren de elektronen volgens de onderzoekers als een soort telefoonlijnen en kunnen de kernen informatie uitwisselen zonder hun bescherming te verliezen.
Waarom 20 nanometer? Die afstand is echt belangrijk: het is op de schaal van moderne computerchips, zoals die in je smartphone. Daarin zitten miljarden transistors, eigenlijk heel kleine schakelaars, van ongeveer dezelfde grootte. Dit betekent met andere woorden dat de huidige chipmakers hun methoden straks kunnen aanpassen om kwantumcomputers te bouwen. In theorie zouden er zelfs miljoenen qubits op een chip van een vierkante millimeter passen. En dat is straf, gezien huidige experimentele kwantumcomputers slechts honderden qubits hebben.
Opschaalbare technologie
Het mooie van deze methode is dat hij goed op te schalen is. De wetenschappers gebruikten om te beginnen slechts twee elektronen, maar in de toekomst kunnen ze er veel meer toevoegen. Elektronen zijn namelijk makkelijk te manipuleren, wat betekent dat de verbindingen snel en precies aan- en uitgeschakeld kunnen worden.
Wat brengt de toekomst?
De technologie is er, maar er is nog veel werk nodig voordat we kwantumcomputers op grote schaal gaan zien. Wetenschappers moeten onder meer nog leren hoe ze veel qubits op een stabiele manier kunnen laten samenwerken zonder dat zich fouten opstapelen. Ook dat eerder genoemde isolatieprobleem blijft hardnekkig. Het team wil de techniek intussen verder ontwikkelen door meer atomen toe te voegen. Het onderzoek werd gepubliceerd in het wetenschappelijke vakblad Science.