Diamanten doen supersnelle computers schitteren

Vlaamse onderzoekers zorgen voor doorbraak in ontwikkeling kwantumcomputers

Wereldwijd is een wetenschappelijke wedloop bezig om kwantumcomputers te ontwikkelen, waarvan de rekenkracht ontelbaar groter is dan onze huidige toestellen. Maar de benodigde bouwstenen zijn erg lastig om te maken. Er is nu een doorbraak dankzij… Vlaamse diamant.

Een beetje kort door de bocht misschien, maar onze computers, tablets en smartphones zijn in wezen erg gespierde rekenmachines die louter op basis van bits met de waarde 0 of 1 onwaarschijnlijke dingen kunnen doen. Om informatie alsmaar sneller te kunnen uitdrukken, kijken ontwikkelaars nu naar de principes van de kwantummechanica. Die maakt het mogelijk dat een bit naast de waarde 0 of 1 ook de waarde 0 én 1 kan hebben, de zogenaamde superpositie. Zo’n bit is de kwantumbit of qubit. “Kwantumtechnologie is dé technologie van de toekomst”, zegt prof. dr. Milos Nesladek, die het onderzoek van de Universiteit Hasselt en Imec in Leuven naar kwantumbits coördineert. “Qubits verwerken exponentieel meer informatie dan bits.” Om een voorbeeld te geven: voor één miljard berekeningen in één keer heb je nu een miljard transistors op een (gewone) computerchip nodig, tegenover slechts

dertig qubits in een kwantumcomputer.

Tot daar de theorie, maar in de praktijk blijken qubits bijzonder lastig om te maken, laat staan om ze met elkaar te verbinden. Wereldwijd zoeken wetenschappers en bedrijven als Google en IBM naar een geschikte methode. De meest gebruikte qubits zijn gemaakt van supergeleidende elektronische circuits, maar deze hebben één groot nadeel: ze werken alleen bij temperaturen die het absolute nulpunt van -273,15 graden Celsius benaderen. Dat vraagt enorm zware koeling, terwijl qubits ook nog eens ultragevoelig zijn voor storingen van buitenaf. Het gevolg is dat die nog altijd hooguit een levensduur van enkele seconden hebben.

Artificiële diamanten

Door een heel andere weg in te slaan, konden UHasselt en Imec wel opzienbarende successen boeken. In plaats van supergeleidende circuits maken zij gebruik van artificiële diamanten, die ze zelfs op nanoformaat kunnen maken. “Diamant bestaat uit koolstofatomen. Voor het maken van deze qubit hebben wij een van deze atomen vervangen door stikstof en een ander atoom hebben we weggelaten, zodat hier een lege ruimte in ontstond. Zo kan de diamant fungeren als kwantumbit”, zegt Milos Nesladek.

Het is daarbij wel uiterst belangrijk dat de diamant ultrazuiver is. Maar de bekomen qubits bleken heel stabiel te zijn. “Het grootste voordeel van onze diamanten qubits is dat ze redelijk eenvoudig elektrisch leesbaar zijn, zonder dat je daarvoor logge apparatuur nodig hebt. En nog belangrijker: ze kunnen gewoon op kamertemperatuur werken. Daardoor kunnen ze veel gemakkelijker geïmplementeerd worden in technologische toepassingen.”

Europa koploper

Een nieuwe stap, maar toch blijft de weg nog lang, erkent de coördinator. “Er is natuurlijk nog veel verder onderzoek nodig om te komen tot echte technologische toepassingen. Zo moeten we nu een manier vinden om de verschillende diamanten qubits met elkaar te verbinden met zogenaamde kwantumlinks. Maar de eerste stap is in ieder geval gezet, de mogelijkheden liggen hiermee open. Zo zou deze technologie uiteindelijk kunnen leiden tot kwantumsensoren voor satellieten die elektromagnetische velden bijzonder accuraat kunnen meten, of NMR-sensoren die één biljoen keer gevoeliger zullen zijn dan de klassieke Nucleaire Magnetische Resonantie. In de automobielsector kan deze technologie zorgen voor het zeer nauwkeurig en contactloos uitlezen van elektrische stroom in de batterijen van elektrische wagens.”

Het Vlaamse hoogtechnologische onderzoek is onderdeel van het Europese Quantum Flagship programma. De Europese Unie heeft zich als ambitieus doel gesteld om wereldwijd koploper te worden in deze technologie en daarmee de Amerikaanse bedrijfsmoguls het nakijken te geven. Voor het programma heeft de EU 1 miljard euro uitgetrokken. Voor dit onderzoek werkten de Vlaamse instellingen samen met universiteiten in Duitsland, Oostenrijk

en Japan.

Milos Nesladek

Onderzoeker UHasselt

“Dankzij diamant kunnen onze ‘qubits’ gewoon op kamertemperatuur werken, in plaats van bij de normale -273,15 graden.”