Delftenaren ontwikkelen maser-op-een-chip voor quantumcomputer

Wetenschappers uit Delft hebben een kleine en efficiënte maser-op-een-chip ontwikkeld die stabiel presteert. De on-chip-maser is gebaseerd op Josephson-juncties en kan onder andere dienstdoen bij de controle van qubits in een quantumcomputer.

Microgolven spelen een grote rol bij onderzoek naar quantumcomputers omdat ze de quantumstaat niet verstoren. Wetenschappers gebruiken ze om quantuminformatie uit te lezen en voor foutcorrecties waarmee de levensduur van qubits te verlengen is. Veel bronnen van microgolven zijn duur en niet efficiënt, en onderzoekers van QuTech zochten daarom een alternatieve maser, of microwave amplification by stimulated emission of radiation. Die vonden ze in de vorm van een koppeling van een Josephson-junctie met een supergeleidende microholte.

"Quantumchips werken op een heel lage temperatuur. Alle apparatuur om bijvoorbeeld qubits te controleren staat buiten die opstelling en wordt wel warm. Het genereren van signalen naar de chips toe is daarom niet efficiënt", legt Julia Cramer van QuTech aan Tweakers uit. De on-chip-maser is klein, wordt niet warm en werkt bij de lage temperaturen. "Je kunt ze naast de qubits zetten."

De junctie is gebaseerd op een effect dat Brian Josephson in de jaren zeventig ontdekte; tussen supergeleiders die onderbroken zijn door een zwakke isolator, kunnen ladingsdragers tunnelen. Dit effect is te gebruiken om een spanning om te zetten in specifieke frequenties, zoals die voor microgolven.

Door nu gelijkspanning op de Josephson-junctie aan te brengen, kunnen de QuTech-onderzoekers microgolven genereren die resoneren in de microholte. Door de chip af te koelen naar temperaturen tot minder dan 1 kelvin, stralen de microgolven uit de uitgang van de kleine holte.

Het voordeel van de chip is dat de zo ontstane maser goed te controleren is en dat er aanpassingen aan door te voeren zijn door het ontwerp van de junctie aan te passen. Zo willen de Delftenaren nu Josephson-juncties op basis van nanodraden ontwerpen die korte pulsjes uit kunnen sturen. Hiermee kunnen ze in theorie meerdere qubits controleren. Daarnaast kunnen toekomstige chips werken met nog kleinere intensiteitsfluctuaties.

"Daarmee kun je qubits nog preciezer controleren, wat belangrijk is voor quantumberekeningen", zo vertelt Cramer. Een qubit is een continusysteem. Als je niet heel precies kunt controleren, ontstaan kleine fouten. Dat is bij een enkele qubit geen probleem, maar het bouwt zich op naarmate er meer qubits zijn.

Het onderzoek vond plaats onder leiding van Leo Kouwenhoven en is onder andere uitgevoerd door Maja Cassidy. Het werd gehouden bij QuTech en het Kavli Institute of Nanoscience bij de Technische Universiteit Delft en onder andere door Microsoft gesponsord.

De onderzoekers publiceren hun werk onder de noemer Demonstration of an AC Josephson junction laser bij het wetenschappelijke tijdschrift Science.

Reacties (25)

[Ghostbird]

Er staat in het artikel: Door nu gelijkspanning op de Josephson-junctie aan te brengen…
Maar de titel van de paper is: Demonstration of an AC Josephson junction laser
Dit laatste lijkt mij ook logischer (tenzij een of ander effect waar ik niet bekend mee ben de holte tot een oscillator maakt).
Volgens mij moet het zijn: Door nu wisselspanning op de Josephson-junctie aan te brengen…
Uiteraard is dit voornamelijk gebaseerd op taalgebruik. Ik kan hier ook niet veel inhoudelijk over zeggen.

[Reactie gewijzigd door Ghostbird op 26 juli 2024 05:38]

[Lethalshot]

Het artikel op tweakers is wel correct. Het principe is (zo simpel mogelijk uitgelegd) ongeveer als volgt:
Je neemt een supergeleider en vormt daar een draad van. Nu ga je in die draad een heeeel klein stukje onderbreken. Als je die onderbreking klein genoeg maakt, blijkt dat elektronen van het ene naar het andere stukje draad overspringen (over of door de onderbreking). Bij dit overspringen verliezen ze wel wat energie, net zoals jij dat zal doen als je over een slootje springt. De verloren energie wordt uitgestoten als een klein beetje elektromagnetische straling.

Het is zo dat dit overspringen een bepaald gedrag heeft afhankelijk van de afmeting en het materiaal van de onderbreking. Op de TU zijn ze er nu in geslaagd een combinatie van materiaal en afmeting te vinden die er voor zorgt dat de elektronen die overspringen precies microgolfstraling uitzenden.

Dit zorgt ervoor dat ze een heel hoog rendement systeem kunnen maken, immers de supergeleidende draad heeft geen verliezen en alleen bij het overspringen verliest het systeem energie, maar wel precies die energie die wenselijk is. Overigens een kanttekening er zijn nog wat effecten die ervoor zorgen dat dit niet met 100% efficientie gaat.

Maar je zet dus wel degelijk een DC spanning of de supergeleider, puur om de stroom te laten lopen en de elektronen over te laten springen.

[GeoBeo]

Het artikel op tweakers is wel correct. Het principe is (zo simpel mogelijk uitgelegd) ongeveer als volgt:
Je neemt een supergeleider en vormt daar een draad van. Nu ga je in die draad een heeeel klein stukje onderbreken. Als je die onderbreking klein genoeg maakt, blijkt dat elektronen van het ene naar het andere stukje draad overspringen (over of door de onderbreking). Bij dit overspringen verliezen ze wel wat energie, net zoals jij dat zal doen als je over een slootje springt. De verloren energie wordt uitgestoten als een klein beetje elektromagnetische straling.

Het is zo dat dit overspringen een bepaald gedrag heeft afhankelijk van de afmeting en het materiaal van de onderbreking. Op de TU zijn ze er nu in geslaagd een combinatie van materiaal en afmeting te vinden die er voor zorgt dat de elektronen die overspringen precies microgolfstraling uitzenden.

Dit zorgt ervoor dat ze een heel hoog rendement systeem kunnen maken, immers de supergeleidende draad heeft geen verliezen en alleen bij het overspringen verliest het systeem energie, maar wel precies die energie die wenselijk is. Overigens een kanttekening er zijn nog wat effecten die ervoor zorgen dat dit niet met 100% efficientie gaat.

Maar je zet dus wel degelijk een DC spanning of de supergeleider, puur om de stroom te laten lopen en de elektronen over te laten springen.

Is dit hetzelfde principe als het principe achter een "normale" antenne?

[Mraedis]

Antennes werken met AC, en hoewel er beiden straling vrij komt zijn de twee technieken niet echt te vergelijken behalve als je het echt heel simpel voorstelt.

[GeoBeo]

Antennes werken met AC, en hoewel er beiden straling vrij komt zijn de twee technieken niet echt te vergelijken behalve als je het echt heel simpel voorstelt.

Ok. Het deed me een beetje denken aan een omschrijving van Nikola Tesla. Om te omschrijven hoe een AC antenne werkt (wisselspanning door een spoel). Uit m'n hoofd iets in de strekking van: hoe meer AC spanning door een draad, hoe "sneller" de elektronen door de draad gaan. Hoe meer stroom hoe meer elektronen er zijn"reizen". Maak je de spanning en stroom door de spoel groter dan kan er meer energie "uit de bocht vliegen".

[Rudie_V]

Het klopt gewoon, het effect heet het ac josephson effect. Er wordt namelijk dc gelijkspanning op de josephson junction gezet, maar als ik het goed heb is de stroom die door de isolator loopt dan een ac wisselspanning met hoge frequentie, deze frequentie is dan weer te beinvloeden door de dc gelijkspanning op de josephson junction te veranderen.
https://en.wikipedia.org/...t#The_AC_Josephson_effect

edit: typo

[Reactie gewijzigd door Rudie_V op 26 juli 2024 05:38]

[Ghostbird]

Ah, inderdaad een effect waarmee ik niet bekend was. Weer wat geleerd.

[Egocentrix]

Ze brengen wel degelijk gelijkspanning aan. Ze maken gebruik van het zogenaamde 'AC Josephson effect' bij supergeleiders, waarbij een gelijkspanning over een Josephson-junctie er juist voor zorgt dat er een wisselstroom gaat lopen. Met deze wisselstroom kunnen ze vervolgens microgolfstraling genereren.

Dit effect werkt ook omgekeerd, waardoor bijvoorbeeld heel nauwkeurige spanningen gegenereerd kunnen worden, of juist gemeten.

disclaimer: ik ben geen expert op het gebied van supergeleiding, maar volgens mij werkt het ongeveer zo.

[Reactie gewijzigd door Egocentrix op 26 juli 2024 05:38]

[Brousant]

Door middel van het "AC Josephson effect" genereert een Josephson-junctie een wisselstroom als er een gelijkspanning op wordt gezet. Zie https://en.wikipedia.org/...t#The_AC_Josephson_effect

Het is dus wel degelijk een oscillator.

[Boy]

Dus een quantum deeltje doet normaal altijd een positie innemen als hij uitgelezen wordt, daarna gaat hij weer in superpositie, toch?

Maar de microgolven verstoren de staat niet? Ik snap het weer niet helemaal. Ik snap nog steeds niet hoe je qubits betrouwbaar kan maken als er zoiets bestaat als een superpositie en die pas bepaald wordt als het element op een of andere manier "bekeken" wordt...

[Sandwalker]

Quantum mechanica is ook niet de meest intuïtieve vorm van mechanica. Vergelijk het met Heiselberg, er zit een ondergrens aan de minimale onnauwkeurigheid waarmee je locatie en snelheid gelijktijdig kan bepalen. Als je de een exact bepaald, ben je alle informatie over de andere parameter kwijt. Iets dergelijks gebeurd ook bij quantumtoestanden. Dus als je een aantal Q-bits hebt die alle toestanden hebben, en je bent geïnteresseerd in de toestand waarbij de uitkomst van een vraagstuk minimaal is, dan wordt die oplossing gegenereerd en alle andere mogelijke oplossingen doven uit.

[basvanthooft]

Je kunt qubits betrouwbaar maken door Quantum Error Correctie (QEC, https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_error_correction) toe te passen.

Als je een enkele qubit meet zul je altijd de toestand verstoren. Maar als je meerdere qubits hebt dan kun je meten of die hetzelfde zijn. De meetuitkomsten zijn dan "ja ze zijn hetzelfde", of "nee ze zijn niet hetzelfde".

Het bijzondere is dat als je ja meet, je ook zeker bent dat de toestand niet verstoord is. Meet je nee, dan kan je daarvoor corrigeren.

[laptopleon]

MASERs kennen niet zo veel toepassingen, dus best bijzonder dat dit nu weer een totaal nieuwe toepassing lijkt te kunnen worden. Overigens is MASER een voorloper van LASER.

[Meg]

'Delftenaren' is gewoon een bestaand woord, ookal zie je het zelden.

[power_user]

Als de materie dermate ingewikkeld wordt dan gaan mensen maar reageren op taaldingetjes

[OneStarter]

Als de materie dermate ingewikkeld wordt dan gaan mensen maar reageren op taaldingetjes

haha klopt , van WikiDelft:

Delvenaren zijn in Delft geboren en getogen, Delftenaren zijn er op latere leeftijd komen wonen. Voor sommigen is dit een heel belangrijk onderscheid.

[familyman]

Ik dacht aan een verstoord kwantumeffect in de autocorrect....

Of delvenaren zijn gegalvaniseerd en delftenaren geanodiseerd

[MeMoRy]

Het is voor mij persoonlijk meer dat ik als wetenschapper aan de TU Eindhoven ook niet "Eindhovenaar" genoemd wil worden.

[MaD_co]

Wetenschappers / studenten aan de TU-Delft, zijn daarentegen niet persee Delftenaren/Wetenschappers uit delft

Kunnen net zo goed ergens anders wonen, of geboren zijn...

[MeMoRy]

Precies mijn punt. Het gaat er bij dit artikel toch niet om dat ze uit Delft komen?

[Kermit123]

Vrij gangbare aanduiding, ook nog veel gebruikt als je al lang geen student meer bent. Misschien moet je er zelf vandaan komen om het te waarderen

[MeMoRy]

Ik heb negen jaar in Delft gewoond. Mensen die er echt vandaan komen (geboren zijn) heten Delvenaren.
Maar nu werk ik aan de TU/e. En ik zou in dit zelfde geval liever " wetenschapper aan de TU/e" genoemd willen worden, dan "Eindhovenaar".

[Arrogant]

De juiste studentikoze benaming is: Delfterikken

[Kermit123]

Ja je hebt helemaal gelijk, dát was meer een soort geuzennaam/scheldwoord