Onderzoekers hebben een op nanoteen gebaseerd kwantummateriaal ontwikkeld dat individuele spins kan controleren, een belangrijke doorbraak voor kwantumcomputing. Ontdek hoe deze ontdekking een revolutie in de technologie teweeg kan brengen.
Kwantumcomputing belooft problemen op te lossen die onmogelijk zijn voor de huidige computers, maar staat nog steeds voor enorme technische uitdagingen. Een team onderzoekers heeft nu een belangrijke doorbraak bereikt door een op nanoteen gebaseerd kwantummateriaal te ontwikkelen dat het gemakkelijker zou kunnen maken om dergelijke apparaten te maken.
Een nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Nanotechnology, beschrijft hoe wetenschappers erin geslaagd zijn om spinketens te bouwen en te manipuleren met atomaire precisie, met behulp van nanoteenmoleculen die bekend staan als “Clar’s Goblet”. Deze ontdekking bevestigt niet alleen decennia oude theoretische voorspellingen, maar kan ook de weg vrijmaken voor nieuwe toepassingen in kwantumtechnologieën.
Het probleem van kwantumcomputers en het belang van spins
Conventionele computers verwerken informatie met behulp van bits, die in twee toestanden kunnen verkeren: 0 of 1. Kwantumcomputers daarentegen gebruiken qubits, die tegelijkertijd in een superpositie van beide toestanden kunnen verkeren. Deze eigenschap geeft ze theoretisch superieure rekenkracht, maar creëert ook een groot probleem: de qubits moeten stabiel blijven en met elkaar verbonden zijn om bruikbare berekeningen te kunnen uitvoeren.
Een van de meest veelbelovende methoden om qubits te representeren is via de spin van elektronen. Spin is een kwantumeigenschap die werkt als een kleine magneet en in twee richtingen georiënteerd kan worden (“omhoog” of “omlaag”). Als meerdere spins op een gecontroleerde manier met elkaar verbonden kunnen worden, zou er een nieuwe architectuur voor quantum computing ontwikkeld kunnen worden. Het ontwerpen en controleren van deze interacties is tot nu toe echter een onoplosbaar probleem geweest.
De sleutel: een op nanoteen gebaseerde spinketen
Het onderzoeksteam is erin geslaagd om een systeem te bouwen waarin spins met elkaar kunnen communiceren via een precieze moleculaire structuur. Hiervoor hebben ze de Clar cup gebruikt, een zandlopervormig nanoteenmolecuul dat twee ongepaarde elektronen bevat aan de uiteinden.
Door verschillende van deze moleculen op een goudoppervlak met elkaar te verbinden, konden de wetenschappers spinkettingen vormen met goed gedefinieerde interacties. Deze ketens volgen een wiskundig model dat bijna een eeuw geleden werd beschreven door Werner Heisenberg, bekend als het spin-½ afwisselende Heisenberg model. Tot nu toe kon deze theorie niet op een gecontroleerde manier worden geïmplementeerd in een echt materiaal.
Hoe de spins in het lab werden bestuurd
Om de interactie tussen de spins te bestuderen, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd inelastische tunneling spectroscopie, waarmee ze het magnetische gedrag van individuele atomen konden analyseren. Met deze methode konden ze de sterkte van de magnetische koppelingen meten en ontdekten dat hun resultaten overeenkwamen met theoretische voorspellingen.
Een van de belangrijkste bevindingen was de detectie van triplons, kwantumexcitaties die ontstaan wanneer de kettingspins met elkaar interageren. De experimenten toonden aan dat deze triplonen een golfpatroon vormen, wat de geldigheid van het kwantummodel dat in het onderzoek werd gebruikt, bevestigde.
Bovendien waren de wetenschappers in staat om de structuur van de snaren nauwkeurig te manipuleren, door hun lengte aan te passen en de koppelingen tussen de spins te configureren. Zoals ze in het onderzoek uitleggen: “Met behulp van tunnelling microscopie oefenen we controle op atomaire schaal uit over de lengte van de spinkettingen, hun pariteit en koppelingen, en onderzoeken we hun magnetische respons met behulp van inelastische tunneling spectroscopie”.
Implicaties voor quantumcomputing
Deze doorbraak betekent een belangrijke stap in de richting van functionele kwantummaterialen. Het kunnen bouwen en manipuleren van spinketens met atomaire precisie is fundamenteel voor de ontwikkeling van toekomstige kwantumtechnologieën.
- Het creëren van nieuwe soorten qubits: spins zouden kunnen dienen als fundamentele bouwstenen in kwantumapparaten.
- Ontwikkeling van materialen met programmeerbare kwantumeigenschappen: De mogelijkheid om interacties tussen spins te controleren opent de deur naar nieuwe toestanden van materie.
- Simulatie van complexe fysische verschijnselen: Spinkettingen kunnen gebruikt worden om kwantumsystemen te bestuderen die moeilijk na te maken zijn in een laboratorium.
Volgende stappen: nieuwe ontwerpen en meer complexiteit
Hoewel dit onderzoek erin geslaagd is om het basisconcept aan te tonen, valt er nog veel te ontdekken. Onderzoekers werken al aan de fabricage van ketens met verschillende spinconfiguraties, wat zou kunnen leiden tot de creatie van materialen met nog geavanceerdere eigenschappen.
Daarnaast is de volgende uitdaging om deze systemen te integreren in praktische apparaten. Hiervoor moeten manieren worden gevonden om de technologie op te schalen en compatibel te maken met de huidige kwantumcomputerplatforms.
Ondanks deze uitdagingen is de ontwikkeling van kwantummaterialen op basis van nanoteen een mijlpaal in het onderzoek naar kwantummaterie. Deze ontdekking levert niet alleen een experimenteel verifieerbaar systeem op, maar opent ook nieuwe mogelijkheden voor de engineering van toekomstige kwantumcomputers.
