Quantumgedrag speelt een cruciale rol in belangrijke materiaaleigenschappen zoals supergeleiding en magnetisme. Helaas is het nu nog onmogelijk om het gedrag van dit soort materialen op kleine schaal uit te rekenen, laat staan exact te begrijpen. Wetenschappers van QuTech, het Kavli Instituut voor Nanowetenschappen in Delft en TNO, in samenwerking met de ETH Zurich en de University of Maryland, zijn er nu in geslaagd om een “kunstmatig materiaal” te bouwen dat zulk quantumgedrag op kleine schaal nabootst. Daarmee hebben ze de basis voor nieuwe inzichten en mogelijke toepassingen gelegd. Hun werk is vandaag gepubliceerd in Nature.

De wereld rond

In de afgelopen 100 jaar is er zo veel ontdekt over de onderliggende natuurkunde van halfgeleidermaterialen, dat computerchips almaar sneller en kleiner worden. We bereiken langzaam de grenzen van de Wet van Moore: elke twee jaar een verdubbeling in rekenkracht voor de helft van de prijs. Toch is er nog veel meer onbekend terrein te verkennen. Professor Vandersypen: ‘er is nog zoveel fysica te ontdekken als we materialen echt willen begrijpen op de allerkleinste schaal.’ En die nieuwe fysica zal weer nieuwe technologie met zich meebrengen. Professor Vandersypen: ‘de moeilijkheid ligt erin dat op deze schaal de quantumtheorie het gedrag van elektronen bepaalt, en zelfs voor een handvol elektronen is dit gedrag niet nauwkeuring uit te rekenen, zelfs niet met krachtige supercomputers.’

De wetenschappers combineren nu de kracht van de halfgeleiderindustrie met hun kennis van quantumtechnologie om het gedrag van elektronen in materialen niet uit te rekenen maar na te bootsen. Dit noemen we een quantumsimulaties. Vandersypen: ‘ik hoop dat we op deze manier in de nabije toekomst zoveel leren over materialen dat we belangrijke deuren openen op technologisch vlak, zoals het ontwerpen van supergeleiders op kamertemperatuur, bijvoorbeeld voor verliesvrij energietransport over grote afstanden.

Natuurlijk nadoen

Het is al langer bekend dat individuele elektronen gevangen op een chip, zogeheten quantum dots, in principe geschikt zijn om het gedrag en de interacties van elektronen in materialen te onderzoeken. De gevangen elektronen kunnen gecontroleerd tussen de quantum dots verplaatsen of “tunnelen”, terwijl ze interacties aan gaan onder invloed van elkaars negatieve lading. Promovendus Toivo Hensgens: ‘zulke processen in quantum dots, afgekoeld tot een fractie van een graad boven het absolute nulpunt, zijn perfect geschikt om de elektronische eigenschappen van nieuwe materialen te simuleren.’

In de praktijk is het een grote uitdaging om de elektronen in quantum dots zo precies te controleren, dat de onderliggende fysica zichtbaar wordt. Imperfecties in de quantum chips en inefficiënte methodes voor het controleren van de elektronen in de dots maakten dit een zware dobber.

Quantum gereedschap

De wetenschappers hebben nu een methode gedemonstreerd die wel efficiënt is en opgeschaald kan worden naar grotere aantallen quantum dots. Het aantal elektronen in elke quantum dot kan worden ingesteld van nul tot vier en de kans op tunnelen tussen buur-dots kan gevarieerd worden van bijna nul tot de limiet dat buur-dots in feite één grote dot vormen. ‘Met behulp van voltages vervormen we het (potentiaal)landschap dat de elektronen voelen,’ legt Toivo Hensgens uit. ‘Dat voltage is bepalend voor het aantal elektronen in de dots en de relatieve interacties ertussen.’

In een quantum chip met drie quantum dots heeft het QuTech-team laten zien dat ze een aantal processen in materialen experimenteel kunnen simuleren. Maar het belangrijkste resultaat is de gedemonstreerde methode: ‘we kunnen nu gemakkelijk meer quantum dots met elektronen toevoegen en het potentiaal-landschap zó controleren dat we uiteindelijk echt grote en interessante quantumprocessen kunnen simuleren,’ vertelt Hensgens.

In de toekomst wil het Vandersypen-team dan ook zo snel mogelijk naar meer quantum dots. Hiervoor heeft hij met zijn collega’s een nauwe samenwerking met Intel opgezet. Vandersypen: ‘De kennis en kunde die zij leveren op het gebied van halfgeleider-fabricage, gecombineerd met ons diepe begrip van quantumcontrole, biedt mogelijkheden waar we nu echt de vruchten van gaan plukken.’

Prof Lieven Vandersypen (rechts) met promovendus Toivo Hensgens.

Publicatie:
Quantum simulation of a Fermi-Hubbard model using a semiconductor quantum dot array

T. Hensgens1, T. Fujita1, L. Janssen1, Xiao Li2, C. J. Van Diepen3, C. Reichl4, W. Wegscheider4, S. Das Sarma2 & L. M. K. Vandersypen1

1. QuTech and Kavli Institute of Nanoscience, TU Delft, 2600 GA Delft, The Netherlands
2. Condensed Matter Theory Center and Joint Quantum Institute, University of Maryland, College Park, Maryland 20742, USA
3. QuTech and Netherlands Organization for Applied Scientific Research (TNO), 2600 AD Delft, The Netherlands
4. Solid State Physics Laboratory, ETH Zürich, 8093 Zürich, Switzerland 

Contact

Prof. dr. Lieven Vandersypen

Perscontact

Dr. ir. Julia Cramer

Afbeelding van halfgeleider quantum-chip.
Met behulp van voltages op zogeheten ‘gates’ (witte lijnen), kunnen electronen (rode en blauwe pijltjes), worden gevangen in quantum dots. Het potentiaallandschap (blauwe lijn) bepaalt de plekken waar de elektronen worden gevangen. Met een extra grote quantum dot (oog) kan de quantum informatie worden uitgelezen.