Onderzoekers Delft koppelen spin van elektron los van omgeving

Onderzoekers van de TU Delft hebben een manier gevonden om de spintoestand van een enkel elektron af te schermen van omgevingsinvloeden. De vinding is belangrijk voor de ontwikkeling van een quantumcomputer.

De spin van elektronen wordt gezien als belangrijke kandidaat om de bouwsteen van een eventuele quantumcomputer te worden. In Delft wordt al langer gewerkt aan de opslag van informatie met behulp van de spin van elektronen: de quantummechanische eigenschappen van de spin zorgen ervoor dat deze tegelijkertijd een bepaalde mate van zowel 1 als 0 kan zijn. Dat maakt de spin geschikt als qubit, oftewel als rekeneenheid van quantuminformatie. De toestand waarin de spin als qubit kan dienen is echter heel fragiel. De geringste invloed van buitenaf beïnvloedt de quantumstaat, wat ten koste gaat van de bruikbaarheid van de spin als qubit.

De Delftenaren zijn er nu in geslaagd de wisselwerking tussen de spin en de omgeving van het elektron te neutraliseren. Dat doen ze door de spinrichting van het elektron met hoogfrequente pulsen keer op keer 'om te klappen'. Dat gebeurde met vaste tussenpozen, zodat het effect van de omgeving werd uitgemiddeld en het leek alsof de spin volledig geïsoleerd was. Bovendien bleek dat hoe vaker het team de spin omklapte, hoe langer de quantumtoestand behouden bleef. De loskoppeling werkt voor elke spintoestand die mogelijk is, zo wisten de onderzoekers te bewijzen.

Het onderzoek vond plaats aan het Kavli Institute of Nanoscience van de Technische Universiteit Delft en zal deze week online worden gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science.

Reacties (49)

Wauw, dit is wel echt science fiction becoming reality. Ben echt altijd zeer benieuwd geweest of wij in staat zijn tot het maken van iets baanbrekend binnen afzienbare tijd. (dat ik het nog mee kan maken ).

Zou iemand mij trouwens een idee kunnen schetsen wat zo'n quantum computer eigenlijk voor ons zou kunnen betekenen?

voor ons als tweaker denk ik dat het weinig zal betekenen op de korte termijn. Voor de wetenschap en voor instellingen zoals banken kan ik me voorstellen dat er mooie toepassingen voor te verzinnen zijn. ook encryptie methoden e.d. lijken me hier een flinke boost mee te krijgen.

uiteindelijk zullen er ongetwijfeld mooie toepassingen voor ons te verzinnen zijn, maar dat zal pas gebeuren wanneer er ook echt mee 'gespeeld' kan worden.

Dit denk ik ook. Ookal kan binnen 10 jaar een goed werkende kwantumcomputer opgezet worden, dan nog dient alle (besturings)software aangepast te worden. Als je ziet hoe lang dit al duurt vanaf Win XP tot Win7, dan reken ik hier nog minstens 20 jaar voor. Tegen die tijd hebben ze vast al wel een oplossing gevonden voor het Brute-force probleem bij encryptie methoden.

Meh,.,.
Je maakt er gewoon een insteekkaart van, beetje zoals een GPU.
Noem het maar een QPU, quantum processing unit.
De bottleneck blijft voorlopig bij het digitale gedeelte liggen.

Het probleem is nameijk dat een quantum 'computer' niet echt geschikt is om er een OS op te draaien, althans zoals wij dat kennen.
Het idee achter een OS is om basale hardware en software toegankelijk te maken voor ontwikkelaars.
Om een quatum OS zinnig te maken zou alles helemaal met kwantuminformatie moeten werken en dat staat nog erg ver weg.

De informatie die uit een quantum systeem voortkomt zal dus voorlopig door ouderwetse digitale systemen worden geinterpreteerd.
Dat houdt in dat je nog steeds een gewone computer nodig hebt om een quantum 'computer' te gebruiken.
Daarbij wil je dat het digitale gedeelte een enorme bandbreedte heeft om de hoeveelheid informatie die een quantum computer kan genereren kan verwerken.

Dus zal het in de praktijk neerkomen op insteekkaarten.
En die kun je laten praten met huidige OSen middels drivers.
Zoals je ook CUDA hebt voor GPU's krijg je dan drivers en libraries om het quantumgedeelte aan te spreken.

Pas veel later krijgen we mischien complete quantum systemen, maar ik vraag mij af wat het voordeel is van een beeldscherm dat gebaseerd is op qubits..

wat neerkomt op een FPGA achtige insteektoepassing. Nu zijn quantuminstructies redelijk eenvoudig te maken (dit zijn namelijk wiskundige berekeningen) en als gevolg hiervan zou de communicatie tussen de insteekkaart en de rest van het systeem tot een minimum beperkt kunnen worden. De grote theoretische waarde van quantumchips ligt verderin het feit dat in tegenstelling tot traditionele halfgeleider principes, er niet to nauwelijks lekkage ontstaat, waardoor de schaalgrootte minder beperkingen zal kennen.

Overigens ging het in deze proefopstelling over een situatie waarbij de omstandigheden sterk gecontroleerd waren, zo wordt het elektron kunstamtig opgewekt/vrijgelaten en is dan ook de praktische koppeling naar ene bruikbare rekeneenheid nog ver verwijderd.

Halting state van Charles Stross geeft ook nog een mogelijke toepassing en scenario. Eigenlijk een must-read voor elke tweaker (net zoals alles van Stross trouwens).

Ik denk niet dat encryptie methoden er een boost door krijgen.
hackers wel. brute force is met quantum computers een stuk makkelijker!

(dat staat zelfs nog in de link naar wikipedia van Limaad)

ik had het bericht van Limaad nog niet gezien toen ik mijn bericht plaatste. het hacken gaat uiteraard ook makkelijker.

Denk eerder aan berekeningen in het vlak van 50 jaar vantevoren precies weervoorspelling
doen

laat ze eerst maar het weer voor morgen goed voorspellen

Dat gaat nooit lukken, het weer is een chaotisch systeem en intrinsiek niet met grote nauwkeurigheid over langere tijd te voorspellen.
https://secure.wikimedia.org/wikipedia/en/wiki/Chaos_theory

@postbus51:
Nee want het is volstrekt onmogelijk om alle belangrijke variabelen te meten en in te voeren. Want ook die vlinder die ergens bij boom nr. 32.330.955 met zijn vleugels klapt of ter aarde neerstort t.g.v. een aanval, heeft invloed op 't weer over 50 jaar.
En dat heeft inderdaad met de chaos-theorie te maken.

Zelfs de onderlinge zwaartekrachten tussen 3 voorwerpen (/planeten) leveren al een chaotisch systeem op. Kan je nagaan hoe chaotisch (lees: onvoorspelbaar) de systemen zijn die worden gebruikt om het weer te voorspellen, waarbij er niet 3 maar miljoenen variabelen zijn. Die niemand allemaal tot op microschaal kan meten/invoeren.

Om een simpel voorbeeld te geven van een kwantumcomputer ten opzichte van een normale computer kan men zich het als volgt voorstellen als er de volgende vraag wordt gesteld: Er zijn tien deuren en achter één ligt een appel, achter welke deur ligt die appel? Ervan uitgaande dat de appel zich bijvoorbeeld achter deur nummer 8 bevindt, zal de normale computer deur nummer 1 openen, kijken of de appel daarachter ligt, en daarna de deur sluiten en naar de volgende deur gaan. Dit proces zal de computer herhalen totdat hij de appel heeft gevonden. Een kwantumcomputer daarentegen zal alle deuren tegelijk openen en al na de eerste cyclus de appel achter deur nummer 8 vinden.

bron wiki natuurlijk:
http://nl.wikipedia.org/wiki/Kwantumcomputer

het betekent dus, dat alles nog sneller gaat gebeuren met deze computer. Veel sneller dan met het maximaliseren van de huidige technieken mogelijk is.

[Reactie gewijzigd door Limaad op 11 september 2010 12:55]

Hierdoor zullen we wel een nieuwe encryptie standaard moeten verzinnen, want een RSA encryptie zou je nu heel gemakkelijk kunnen factoriseren. Niet dat een crimineel op korte termijn (binnen 10 a 20 jaar) een quantumcomputer zou kunnen aanschaffen.

http://nl.wikipedia.org/wiki/Factorisatie

Niet dat een crimineel op korte termijn (binnen 10 a 20 jaar) een quantumcomputer zou kunnen aanschaffen.

En die operator van die quantumcomputer dan, die nog niet crimineel was toen 'ie begon met zijn job? Tot 'ie het programma'tje schreef dat dit kon?

Menselijke factor.

[Reactie gewijzigd door RetepV op 11 september 2010 22:53]

Inderdaad. Als de techniek er eenmaal is, dan wordt ie ook bijna altijd al heel snel misbruikt. En op sommige gebieden lopen reguliere bedrijven gewoon mijlenver achter op de criminelen - zo wordt er nauwelijks iets aan skimmen en allerlei andere technische oplichtingsmethodes gedaan.

Nee, dat is niet nodig. Quantumcomputers zijn nog een stukje weg, maar quantumencryptie bestaat nu al. De technologie die nodig is om quantumcomputers haalbaar te maken, maakt quantumencryptie goedkoop. En belangrijker nog: quantumencryptie is onkraakbaar. Beter gezegd, je kunt zien dat iemand je communicatie probeert te kraken voordat het daadwerkelijk lukt. Daarom is de quantumcomputer niet zo geweldig van belang voor de cryptografie.

Als ik het goed begrijp betekent dit snellere computers e.d. De rekencapaciteit zal enorm verhoogd worden..

Om je even verder te verwijzen, http://nl.wikipedia.org/wiki/Kwantumcomputer, het stukje "Gevolgen" is wel redelijk interessant.

Goed dat dit gevonden is, zal denk ik wel nog een poosje duren vooraleer we hier iets van zullen merken in onze apparatuur ^^

Zeker aangezien mijn PCIe waarschijnlijk te sloom zal zijn

Het is niet zomaar mogelijk om elk algoritme om te zetten naar een kwantum algoritme,
Het zal ook wel een tijd duren voordat er een huiskamer toepassing voor is ontwikkeld,
De kwantumcomputer is zo anders (in paradigma), dat de conventionele computer paradigma niet gebruikt zouden kunnen worden.

Er zijn echter al wel wat algoritmes bedacht voor kwantumcomputers, het is bijvoorbeeld mogelijk een getal veel sneller in factoren te ontbinden in priemgetallen. (15 in 5 en 3)

Dit is overigens al eens met succes gedaan (voor het getal 15 dan). In theorie kan je hiermee ook getallen van miljoenen cijfers ontbinden (Wat erg nadelig is voor RSA).

@Carino: volgens mij heb je niet helemaal door wat kwantum encryptie inhoudt, hierbij stuur je (volgens mij) de data in elektronen mee, met een bepaalde spin. Als iemand (man in the middle), vervolgens die data probeert uit te lezen, wordt die spin veranderd, en is het duidelijk dat er wordt afgetapt, dit is wel degelijk anders dan de huidige encryptie methoden.

We kunnen dingen sneller berekenen, en sommige dingen veel sneller. Maar een grote groep problemen is (zeer waarschijnlijk) nog steeds te complex, zelfs voor quantum computers. Dat is erg jammer want dat zijn juist de problemen die we op willen lossen, zoals optimalisatie problemen. Hoe je het beste een groot aantal dozen met verschillende afmetingen over een groep containers kan verspreiden, of hoe je het beste vliegtuigen kan laten landen op een druk vliegveld, kan een quantum computer waarschijnlijk alsnog niet (efficient) uitrekenen.

Major nieuws voor quantum computing. Dit is waar ze al een tijdje naar zoeken: qubits stabiel behouden, vraag is nu of dat ook blijft als je hem 'uitleest'. Dat was het probleem vroeger toch altijd.

Dat maakt niet uit, want die informatie heb je toch. Als je DRAM uitleest, dan verliest het bit ook zijn waarde en moet het opnieuw worden geschreven. Omdat je de informatie al hebt, is dat geen probleem.

Op die manier geen probleem maar wel een enorm nadeel, iets dat ook zijn "waarde" behoudt terwijl je er geen energie aan toe hoeft te voegen is veel interessanter.

Dan is het waarschijnlijk ook duurder en complexer. DRAM vs SRAM
Lijkt me niet zo gek om een gelijkaardige techniek te gebruiken dan die we al jaren gebruiken voor ons RAM geheugen ..

Eerst maar eens een werkend systeem krijgen en dat optimaliseren. In die zin heeft mashell natuurlijk gelijk. Lezen is principieel een simpeler oplossing dan lezen + schrijven. Dus als je toch iets nieuws aan het bedenken bent is het wel handig om te kijken of je iets verder kan optimaliseren. Al was het maar om een "SRAM" versie te kunnen ontwikkelen.

Of het duurder en complexer is staat bij quantum computing trouwens nog helemaal niet vast. Misschien is een systeem waarbij de qubits hun waarde vasthouden zelfs wel simpeler en goedkoper.

Innovatie komt uit de gedachte dat iets ook anders moet kunnen. Niet uit "laten we maar hetzelfde doen als onze grootouders het deden". Op dit manier hadden we nog steeds stoomtreinen en was olie dat rare goedje wat alleen maar in de weg zat als we naar steenkool aan het zoeken waren

Was lezen maar zo'n simpel probleem. "Lezen" is een niet-destructief proces, en vaak niet mogelijk cq. gesimuleerd. DRAM lezen bijvoorbeeld doe je door de energie uit een DRAM cel over te dragen aan een uitleeslijn. Maar de wet van behoud van energie betekent dat die energie vervolgens niet meer in de cel zit. Je moet dus de uitgelezen bit kopieren en terugschrijven - DRAM uitlezen kost dus energie.

Met een qubit liggen de zaken iets gecompliceerder. Uitlezen geeft je een 0 of een 1, en dat is destructief - origineel zat er meer informatie in (superpositie). Dat is waarom deze uitvinding zo belangrijk is: je kunt data niet verversen door de qubit uit te lezen, te kopieren, en terug te schrijven.

Dit is volgens mij wel iets heel anders. Ik weet niet zo veel af van quantum computing, maar ik weet wel dat bij de kwantummechanica het probleem vaak is dat je het kwantumdeeltje niet kan waarnemen zonder iets eraan te veranderen.

ivm dat veranderen: hoe nauwkeuriger je de positie van het deeltje willen meten, des te onnauwkeuriger de meting van de snelheid zal zijn en omgekeerd.
De spin is naast de snelheid en positie een andere grootheid dat niks te maken heeft met de daadwerkelijke draaiing van een deeltje om zijn as blijkbaar

Het soort problemen waarvoor quantumcomputers ingezet zullen worden zijn o.a. het ontbinden in factoren van een getal bestaande uit 2 priemgetallen (gebruikt in encryptie) en problemen zoals het handelsreizigersprobleem.

Dat probleem kan je GPS wel eens hebben: stel je wil de kortste route langs 100 adressen. Niet alles wordt ineens vlugger op je computer, maar bepaalde zaken die nu jaren duren om te berekenen zouden heel vlug opgelost kunnen worden.

Alleen hebben we met een gewone computer ook voldoende manieren om praktische voorbeelden, als de GPS die langs 100 adressen moet, op te lossen. Een route die 95% korter is dan alle mogelijke routes kan in een mum van tijd berekend worden op een gewone computer. Alleen is het niet dé kortste route, maar wat doen een paar extra km's er toe Voor het vinden van de encryptiesleutels is die preciezie echter wel nodig, maar dan weer niet gewenst

[Reactie gewijzigd door ? ? op 11 september 2010 23:47]

Al voldoende manieren? M.b.t. het kraken van encryptie op zich wel, want we zullen weer iets geheel nieuws moeten vinden als dat ineens heel makkelijk gaat. Voor optimalisatieproblemen valt er echt nog heel veel te winnen. Die ene handelsreiziger kan dan wel toe met een normale computer, maar voor bijvoorbeeld het optimaliseren van de dienstregeling van NS gaat dat niet.

ivm dat veranderen: hoe nauwkeuriger je de positie van het deeltje willen meten, des te onnauwkeuriger de meting van de snelheid zal zijn en omgekeerd.

De spin is naast de snelheid en positie een andere grootheid dat niks te maken heeft met de daadwerkelijke draaiing van een deeltje om zijn as blijkbaar

Klopt. Je beschrijf een vorm van Heisenbergs onzekerheidsrelatie, en wel de meest bekende. Maar er zijn er veel meer paren van variabelen die "commuteren", dwz. niet samen bepaald kunnen worden. Spin is zelfs een triplet van dergelijke variabelen: de spin in X, Y en Z richting kun je niet tegelijk nauwkeurig bepalen.

Je kunt de kwantumstaat helaas niet uitlezen. Bij het uitlezen neemt een qubit een 0 of 1 aan - de superstaat gaat daarbij verloren.

Lijkt me geen probleem aangezien ze zonder uitlezen hun eigen stelling nooit hadden kunnen bewijzen.

Mocht dat gedaan zijn als test met een microscoop, dan kan het mogelijk wel een probleem opleveren.

Nee, met de puls lees je de toestand niet uit. De puls laat alleen de spin omklappen (-1->+1 of +1->-1) zonder informatie te geven over de huidige toestand. Als je de puls een even aantal keer toepast en je voorkomt dat door de omgeving de spin omklapt, heb je je originele staat over een lange tijd vastgehouden.

Is er nu sprake van een "neutraal" bit? (niet positief , niet negatief)

alleen maar.

Simpel gezegd: normaal heb je 1 en 0, nu heb je alles ertussen.
(en volgens kansrekening krijg je dan never meer een zuivere 1 of 0 terug)

Krijgt men hierdoor nu ook éen-bits berekeningen, gezien de oneindige toestand waarin deze zogeheten qubit zich kan bevinden? Of is dit niet mogelijk?

Tegenwoordig zijn er al mogelijkheden om meervoudig-bits (ik noem het even x-Bits) berekeningen te maken, maar als zo'n qubit neutraal is, dus eigenlijk niets doet, bereken je niets, gaat het naar een Negatief(0) of Positief(1) of alles wat er tussen zit kun je berekeningen maken lijkt me. Met x-Bits berekeningen heb je een x-aantal bits nodig om één berekening te maken. Dit lijkt me tijd-besparing van jewelste. We spreken van luttele nanosecondes of nog kleiner (info:http://nl.wikipedia.org/wiki/Lijst_van_eenheden_van_tijd)

Voor zo'n qubit is dit een eeuwigheid, dat ie zich afvraagt "waarom besta ik eigenlijk?"


Edit:typo

[Reactie gewijzigd door qbig1970 op 11 september 2010 16:04]

qubits kennen in principe 2 waarden die ket-0 en ket-1 heten, waarbij de kans op beide waarden 1 is. Hierdoor kan een qubit afhankelijk van een andere qubit, een verschillende waarde vertegenwoordigen op diverse momenten. Het controleren van een qubit richt zich dan ook op het stabiel houden van deze toestanden, zonder invloed uit te oefenen op de toestand. Het resultaat hiervan zorgt voor een tekenreeks die meerdere functies binnen één module zou kunnen berekenen, door het aflezen "krijg" je namelijk een bit-achtige reeks vanuit twee qubits. (in principe 0000 t/m 1111 wat staat voor 0 tm 15, dus vier qubits vormen nu 16 waarden)

In principe 0000 t/m 1111 wat staat voor 0 tm 15, dus vier qubits vormen nu 16 waarden.

Maarre wat is dan 't verschil met bits? Ik kan immers evengoed zeggen:
"In principe 0000 t/m 1111 wat staat voor 0 tm 15, dus vier bits vormen nu 16 waarden."

Nee, dat was al zo. Met quantumbits heb je mogelijk 33% 1 en 67% 0. Door het om te klappen heb je 67% 1 en 33% 0.

Een storing die de 33% 1 laat oplopen naar 43% 1 werkt nu anders. Eerst loopt de 33% 1op naar 38% 1. Daarna klapt de bit om, en heb je 62% 1. Die loopt verder op naar 67% 1, en klapt terug om naar 33% 1. De storing is dus precies uitgemiddeld.

Waar ik gefascineerd door ben
Bovendien bleek dat hoe vaker het team de spin omklapte, hoe langer de quantumtoestand behouden bleef.
Het lijkt wel een lerende spin.
Of is het veroudering?

Misschien kost het energie om de spin om te klappen, waardoor er minder energie over is om weer 'terug te klappen.' (gokje)

Meestal is het zo dat je in zo'n geval energie erin stopt, waarna deze terug wil naar een lagere energie-toestand en JUIST omklapt.
Nu weet ik niet in hoe verre standaard natuurkunde toepasbaar is op kwantummechanica, maar dit gaat toch een beetje in tegen mijn natuurkunde-gevoel.

Maar jullie zouden allemaal 100 euro van me krijgen als ik wél in staat was te verzinnen wat het wel zou kunnen zijn.

Er is geen verschil in energietoestand. Het enige wat zou kunnen gebeuren is dat er kinetische energie is toegevoegd (wat hier niet noodzakelijk het geval is) waardoor een grotere reeks gamma rays mogelijk zijn.

Er is geen geheugen in een electron aanwezig waardoor deze zijn vorige toestand herinnert. Alleen wat je toevoegde (energie) gaat de mogelijkheden veranderen. Er is eigenlijk niets logisch aan het resultaat, en ik vraag me af of dit niet eerder een omgevingseffect is. Het meten van de spin zal ook een invloed hebben op het resultaat

Een simpele vergelijking is met Unshielded Twisted Pair.

UTP werkt doordat je + en - aders van plaats verwisselen. Een elektrische storing die niet lokaal is (afstand >> twistlengte) veroorzaakt daardoor ongeveer dezelfde storing op de + en - ader. Het verschil daartussen blijft constant.

Dit omklappen is een soort "twist" in de tijd. Een verstoring van +x wordt na omklappen een verstoring van -x. Dat wil zeggen dat het effect uitmiddelt, als de storing langer duurt dan de omklaptijd. Als je de omklapfrequentie verhoogt, dan verlaag je de omklaptijd (f = 1/t). Hoe hoger de omklapfrequentie, hoe sneller storingen dus uitmiddelen.

Ik wist niet dat ontkoppelen (engels: decoupling) bij electronen (ESR electron spin resonance neem ik aan) nog zoiets bijzonders is maar binnen de NMR (nuclear magnetic resonance) kijkt niemand meer op van een treintje 180 graden pulsen waarmee het effect van omliggende kernen gedeeltelijk of volledig opgeheven wordt. Mogelijk dat het bij electronen gezien de hogere frequenties (bij aardveld een paar honderd MHz bij een beetje serieus magneet veld (een paar Tesla) in het GHz bereik) wel nog een technical achievement is? Conceptueel klinkt het mij niet heel bijzonder in de oren maar als je de eerste bent die het weet te realiseren is het inderdaad mogelijk iets voor Science.

"De loskoppeling werkt voor elke spintoestand die mogelijk is, zo wisten de onderzoekers te bewijzen."

Haha, spin is wiskundig volledig symmetrisch. Als er enige preferentiële spin zou bestaan zou de huidige fysica (en daarmee vooral de quantumchromodynamica en quantumfysica) héél wat ingewikkelder zijn.

Vooral het effect van een 'langer' behoud van spin is wel zeer interessant. Is er al een paper over dit onderzoek verschenen?

Google is ook al bezig met quamtumcomputers. Het zoeken zal er mogelijk vele malen sneller door gaan:

http://www.datacenterknow...loring-quantum-computing/