De kleinste functionele eenheid in een gewone computer is de bit: een schakelaar staat aan of uit, door een draad loopt wel of geen stroom. Als je die twee toestanden 0 of 1 laat betekenen, komt een bit overeen met de kleinste mogelijke hoeveelheid informatie.
Een kwantumcomputer moet echter opgebouwd zijn uit qubits: eenheden die in een superpositie van de toestanden 0 en 1 verkeren. Superpositie is iets typisch kwantummechanisch; het betekent dat een voorwerp in alle mogelijke toestanden (in dit geval dus 0 en 1) tegelijk verkeert. Pas als je de qubit uitleest, 'vervalt' deze met een zekere waarschijnlijkheid tot 0, danwel 1. Het is dit geheimzinnige verschijnsel, waardoor een hypothetische kwantumcomputer sommige rekenklussen bijna in één stap kan doen, in plaats van via miljarden opeenvolgende rekenstapjes.

Vier fysici van het Kavli instituut voor Nanowetenschap in Delft presenteren nu in Nature een dubbele qubit, gemaakt van twee elektronen die ieder in een kwantumdot zitten, een virtueel 'kooitje' in een dunne, halfgeleidende draad van indium-arseen. Vier nog dunnere nanodraden van metaal zorgen voor de elektrische contacten. Het geheel is afgekoeld tot een fractie van een graad boven het absolute nulpunt.
Elektronen hebben spin – het kwantummechanisch equivalent van rotatie – maar die kan, zodra je deze meet, maar twee waarden aannemen: + ½ of - ½ (in gangbare eenheden). Een elektronspin moet dus als qubit kunnen fungeren.

Het team onder leiding van Leo Kouwenhoven laat nu zien dat dit type qubit te manipuleren is, door er via de metalen nanodraden een puls microgolfstraling met precies de juiste frequentie op af te sturen. Dit zorgt ervoor dat de rotatieassen van de spins draaien, en parallel aan elkaar of juist anti-parallel gaan staan. In de parallelle configuratie blokkeren de qubits een stroom die door de nanodraad gestuurd wordt, anti-parallel laten ze de stroom wel door, zodat ze ook als een schakelaar werken. 'We gebruiken de ene qubit om de andere uit te lezen,' aldus Kouwenhoven. 'Als je iets heel kleins maakt, heb je ook iets heel gevoeligs nodig om daar aan te meten.'

Essentieel is volgens Kouwenhoven de elektrische aansturing, waardoor in zekere zin een nieuw type qubit gerealiseerd is. Elektronspins worden ook met magnetische velden gemanipuleerd, bijvoorbeeld in MRI-scans, maar dan betreft het enorme aantallen elektronen in bulkmateriaal. Op nanoschaal zijn magnetische velden daarvoor niet sterk genoeg.
Dat deze elektronspins zich door elektrische velden laten sturen, is een subtiel effect dat te maken heeft met het specifieke materiaal (indium-arseen) van de nanodraad.

Met de elektrisch aangestuurde spin-qubit is weer een stapje gezet op weg naar een volwaardige spintronica; elektronica die niet gebaseerd is op het verplaatsen van elektrische lading (ofwel: stroompjes laten lopen), maar op het manipuleren van spins van elektronen of van atoomkernen.
Pas als het ook nog lukt om niet twee, maar een stuk of honderd spin-qubits in een superpositie van toestanden te plaatsen, ligt de weg naar de kwantumcomputer open. Kouwenhoven zal niet beweren dat dit 'alleen maar een kwestie van opschalen' is: 'We begrijpen nu de kwantummechanische spelregels van 2, 3 of 4 qubits, maar voor 100 qubits weten we het nog niet. Je kunt de hardware wel opschalen, maar dan moet je het systeem ook nog nuttige dingen kunnen laten doen.'

Toch lijkt de Delftse spin-qubit nieuwe wegen te openen. De nanodraad leent zich in principe goed voor opschaling, simpelweg door de draad langer te maken. Belangrijk is ook, dat het uiteinde van een nanodraad van halfgeleidermateriaal licht kan geven, dat wil zeggen fotonen uit kan zenden. Zo zou een spin-qubit wellicht zijn superpositie van toestanden kunnen overdragen op een foton, die deze vervolgens over grote afstanden transporteert. Dat kan wellicht toepassingen vinden in de telecommunicatie of de kwantumcryptografie. Allemaal nog toekomstmuziek, maar geen wilde fantasie.

Arnout Jaspers

Spin-orbit qubit in a semiconductor nanowire, Nature, 23 december, 

S. Nadj-Perge, S. Frolov, E.Bakkers & L. Kouwenhoven,