Kwantumcomputers bieden een enorm potentieel voor het oplossen van complexe problemen waar zelfs de krachtigste klassieke computers moeite mee hebben. Ze maken gebruik van kwantumbits (qubits) – analoog aan 0-en en 1-en in klassiek computergebruik, maar met veel grotere flexibiliteit – om informatie exponentieel sneller te verwerken. Voor het bouwen van een echt functionele kwantumcomputer is echter een enorm aantal stabiele, bestuurbare qubits nodig.
Dit is waar onderzoek naar quantum dots om de hoek komt kijken. Deze nanostructuren beschikken over unieke eigenschappen waardoor ze ideale kandidaten zijn voor qubits. Recente doorbraken hebben zich gericht op het gelijktijdig creëren en besturen van meerdere kwantumdots, omdat dit de deur opent voor het bestuderen van complexe kwantuminteracties die essentieel zijn voor geavanceerde berekeningen.
Een triplet-triomf in zinkoxide
Wetenschappers van het Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) van Tohoku University hebben een belangrijke mijlpaal bereikt door met succes drievoudige kwantumdots in zinkoxide (ZnO) te creëren en elektrisch te besturen. Deze prestatie, gedetailleerd beschreven in Scientific Reports, markeert een grote vooruitgang, want hoewel enkele en dubbele kwantumdots in ZnO eerder waren aangetoond, bleef het manipuleren van drie of meer onderling verbonden dots een enorme uitdaging.
De aantrekkingskracht van ZnO ligt niet alleen in zijn geschiktheid voor de fabricage van kwantumdots, maar ook in zijn inherente eigenschappen. ZnO is een halfgeleider die bekend staat om zijn sterke elektronencorrelaties en goede spincoherentie – cruciale kenmerken voor een betrouwbare werking van qubits.
Onthulling van kwantumverschijnselen
Naast louter controle observeerden de onderzoekers een fascinerend fenomeen dat bekend staat als het kwantumcellulaire automaten (QCA) -effect binnen hun drievoudige kwantumpuntsysteem. Dit effect, exclusief voor systemen met drie of meer gekoppelde kwantumdots, onderstreept de opkomst van nieuw gedrag wanneer meerdere qubits op elkaar inwerken. In dit geval beïnvloedde de ladingsconfiguratie in één kwantumdot rechtstreeks de aangrenzende punten door middel van elektrostatische koppeling, waardoor een gesynchroniseerde beweging van twee elektronen ontstond. Dit ‘domino-effect’ heeft aanzienlijke gevolgen voor de ontwikkeling van kwantumlogische operaties met laag vermogen, een fundamentele bouwsteen van kwantumberekeningen.
De weg naar schaalbare kwantumcomputing
Deze bevindingen vertegenwoordigen een cruciale stap in de richting van het realiseren van praktische kwantumcomputers. ZnO, al bekend uit alledaagse toepassingen zoals zonnebrandmiddelen en transparante elektronica, staat nu centraal als een potentieel platform voor het bouwen van stabiele en schaalbare kwantumsystemen. Verder onderzoek zal zich richten op het nauwkeurig controleren van deze kwantuminteracties binnen het ZnO-framework om coherente qubit-operaties mogelijk te maken – waarbij de qubits in essentie worden geleerd met elkaar te ‘praten’ en berekeningen uit te voeren.
Als onderzoekers in dit streven slagen, kunnen kwantumcomputers een revolutie teweegbrengen op terreinen als materiaalontwerp, medicijnontdekking en cryptografie door problemen aan te pakken die momenteel zelfs voor onze krachtigste klassieke machines onoplosbaar zijn.
