Nederlanders manipuleren quantumbits met elektrisch veld

Wetenschappers van de TU Delft zijn er in geslaagd om quantumbits, bouwstenen van quantumcomputers, met elektrische velden te manipuleren. Voorheen kon dat enkel met magnetische velden, maar die zijn op een chip moeilijk te genereren.

De wetenschappers deden hun ontdekkingen in het wetenschappelijke blad Science uit de doeken. Een quantumbit is voor een quantumcomputer wat een bit is voor een traditionele pc en wordt gebruikt om informatie in op te slaan. Quantumbits kunnen worden gemaakt door elektronen te vangen, en de draaiing van de elektronen om hun as te controleren.

Op basis van de draairichting kan de quantumbit een bepaalde waarde representeren, vergelijkbaar met de '1' en '0' van een 'normale' bit. Het grote verschil daarbij is dat quantumbits ook een bepaalde mate van 1 of 0 kunnen representeren.

Manipulatie van quantumbits gebeurde tot nu toe door de quantumbits aan magnetische velden te onderwerpen, maar die zijn op een chip lastig aan te roepen. De wetenschappers van de TU Delft slaagden er echter in om de draairichting aan te passen met een elektrisch veld. Ook konden ze de quantumbits insluiten in halfgeleidende nanodraden. Nanodraad-circuits kunnen worden vergeleken met de transistoren in chips van silicium.

Volgens professor Leo Kouwenhoven van de TU Delft combineert de ontdekking het beste van twee werelden: de mogelijkheden om elektronisch invloed uit te oefenen op quantumbits en de opslag van informatie in de draaiing van elektronen.

Quantumbits bieden een veel hogere informatiedichtheid dan traditionele opslagmethoden, maar wetenschappers slaagden er lange tijd niet in om ze betrouwbaar genoeg te krijgen om er daadwerkelijk informatie in op te slaan. Zo kunnen invloeden uit de omgeving nadelig zijn voor de precisie: de toestand waarin de draaiing van een elektron als quantumbit kan fungeren, is fragiel. Onderzoekers van hetzelfde instituut bij de TU Delft neutraliseerden omgevingsinvloeden grotendeels door de draairichting van elektronen met hoogfrequente pulsen miljarden keren per seconde om te klappen. Dat gebeurde met vaste tussenpozen, waardoor externe effecten wegvielen.

Reacties (42)

[hollandismad]

Uit het artikel:

Quantumbits kunnen worden gemaakt door elektronen te vangen, en de draaiing van de elektronen om hun as te controleren.

Wiki:

Spin is een fundamentele eigenschap van atoomkernen, hadronen en elementaire deeltjes. Hoewel de spin eigenschappen heeft die doen denken aan een "gewoon" impulsmoment — en het kort na zijn ontdekking ook zo werd opgevat — heeft spin niet te maken met een daadwerkelijke draaiing van een deeltje om zijn as; het is een intrinsiek kwantummechanische grootheid die op geen enkele wijze met de klassieke mechanica is te beschrijven. Voor deeltjes (elementaire of samengestelde) met een spin ongelijk aan nul is de richting van de spin (doorgaans ook kortweg spin genoemd) een belangrijke intrinsieke vrijheidsgraad, die het intrinsieke impulsmoment beschrijft.

(bron)

[Reactie gewijzigd door hollandismad op 27 juli 2024 22:28]

[supersnathan94]

"Heeft niet te maken met" betekent niet hetzelfde als dat er geen draaiing is.

[.oisyn]

Klopt, maar het gaat hier om de quantum-eigenschap spin, en niet om de fysieke draaing om hun as.

[Verwijderd]

hmm maar kwantummechanica gaat toch over kansberekening? Lijkt me niet dat je een PC wilt hebben waarbij de kans 99.99% is dat hij gaat doen wat je wilt, die 0.01% van de tijd kan net iets belangrijks doen plus je doet natuurlijk heel erg veel acties per seconde eigenlijk. Zo is het nog wel te verwerken als een toetsaanslag niet geregistreerd wordt maar het lijkt me zwaar irritant als je denkt je bestand op te hebben geslagen en dat dat dan toch niet zo blijkt te zijn..

[Mitsuko]

Daarom is error correctie ook heel belangrijk bij quantum systemen. Je kunt nooit helemaal zeker weten dat er geen fout in het systeem zit, maar wel 99.9999% zeker, dus een kans van 1 in een miljoen op een fout. Als je dan de berekening herhaalt en je krijgt hetzelfde antwoord, dan is er maar een kans van een in een biljoen dat je nog steeds het foute antwoord hebt.

De zekerheid gaat dus exponentieel omhoog terwijl de berekeningstijd lineair omhoog gaat. Het grote voordeel van quantumcomputers is ook juist dat ze sommige algoritmen in polynomiale tijd kunnen uitrekenen waar dat bij traditionele computers in exponentiële tijd gaat (dus bijvoorbeeld O(n^3) in plaats van O(3^n) ). Bij grote berekeningen maakt die lineaire factor dan niet zoveel meer uit.

[Reactie gewijzigd door Mitsuko op 27 juli 2024 22:28]

[Verwijderd]

als vuistregel zou ik er maar vanuit gaan dat de mensen die het wel begrijpen goed weten waar ze het voor doen.

voor een snelle introductie, leer even complexe lineaire algebra en koop "an introduction to quantum computing" (Kaye, Laflamme, Mosca 2007).

offtopic:
edit: "complex" slaat hier natuurlijk op de complexe getallenruimte, niet op "ingewikkeld" of "gecompliceerd"

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 27 juli 2024 22:28]

[Decimae]

Dit is misschien wat handiger:
http://arstechnica.com/science/guides/2010/01/a-tale-of-two-qubits-how-quantum-computers-work.ars

[Kingpinda]

Of kijk even op TU delft lezing gemist. Lezing over quantummechanica die ik als leek nog aardig begreep. Bepaalde formules zijn aanzienbaar sneller uit te rekenen terwijl andere juist weer niet.

[Verwijderd]

"leer even snel complexe lineaire algebra"

[Verwijderd]

Ook chips op transistor-basis zijn vatbaar voor het maken van rekenfouten. Zeker nu er zo'n race onstaan is van het maar kleiner en kleiner maken van de transistors, waardoor ook verschijnselen als electromigratie gaan meespelen.

Maar dit gaat meer over floating-point operations waarbij er af en toe eens een niet 100% kloppende waarde wordt terug gegeven, dan het opslaan van bestanden (wat wel duizenden zo niet miljoenen cycles in beslag kan nemen, en toch voornamelijk het kopiëren van geheugen is).

[Boxman]

Je moet dan ook niet denken dat ze op een quantumcomputer dezelfde instructies laten draaien als op een klassieke computer. Een quantumpc rekent fundamenteel anders.

[Reactie gewijzigd door Boxman op 27 juli 2024 22:28]

[mrc4nl]

nee.
jij denktmisschien aankwantumcrytografie
daar moet de sleutel zo random mogelijk zijn

[Verwijderd]

Ja,
Hij heeft wel degelijk gelijk. De computers verliezen na verloop van tijd gewoon coherentie, waardoor de kans op fouten toeneemt.

[Blokmeister]

Vergeet niet dat als een systeem zich gewoon in een eigenstaat bevindt, deze staat stationair is. Zolang het systeem zich in een superpositie van eigenstaten bevindt (genormaliseerd natuurlijk) zal de hamiltoniaan niet veranderen.
Kwantumfysica geeft inderdaad een boel onzekerheden, maar ook zekerheden in die onzekerheden. Ik denk dat je met die zekerheden dingen kan bewaren.

[Verwijderd]

Een eigenstaat is een theoretisch systeem. Het maakt theoretisch niet uit of een systeem in een eigenstate is of niet voor de stabiliteit van het systeem. Het probleem in de werkelijkheid zijn quantumverstoringen, omdat het zeer moeilijk is een systeem lange tijd los te houden van het hele universum. Kort gezegd moet je voor een correcte quantumbeschrijving het hele universum omschrijven. Een Hamiltonian is enkel een vereenvoudiging van de werkelijkheid.

[ArnoAG]

Mooi, dit brengt quantum computers weer een stap dichterbij, de huidige processors zijn wel ongeveer uitontwikkeld volgens mij,,,
maar de vraag is natuurlijk of dit een beetje toegepast kan gaan worden in huis tuin en keuken programma's, daar moet een hele andere manier van coderen voor worden uitgevonden?

[Reactie gewijzigd door ArnoAG op 27 juli 2024 22:28]

[mphilipp]

Laat ze eerst maar eens een praktische quantumcomputer uitvinden. Er zijn nog tal van problemen voordat ze alleen maar gaan denken om dit in huiskamers neer te zetten. Je mag geloof ik niet eens te hard stampen in de buurt van zo'n ding...

[Prototype666]

neuh, hoeft niet... alleen hele andere compilers voor bestaande programmeertalen.

[piderman]

Quantumcomputers zijn niet echt geschikt om 'normale' programma's op te draaien. Voor thuis zie ik meer een toekomst in optische processors. Die lossen twee problemen op: warmteproductie en electrische interferentie, die optreedt als de processor lanes te dicht op elkaar komen door verdere miniaturisatie.

[- peter -]

Tsja, volgens mij zijn ze nog steeds een beetje raar aan het doen. Ik bedoel, quantummechanica is een nieuw paradigma, het lijkt me nogal zinloos om heel hard je best te doen om nieuwe ontdekkingen in een oude vorm te gieten. Ik snap dan ook niet de moeite die men doet om hier energie in te steken. Laat ze iets nieuws bedenken! Iets waar toeval juist heel belangrijk is ofzo. Lekker non-lineair.

[Verwijderd]

"de huidige processors" zijn al 20 jaar uitontwikkeld, en toch worden ze steeds sneller

[ArnoAG]

Nou, ze stoppen er steeds meer in een pc, volgens mij worden ze qua kloksnelheid niet veel sneller meer, hypertrading en multicores maken de pc's wel sneller, maar de kernen op zich worden dacht ik niet veel sneller meer.

[Verwijderd]

ehm, wat is je punt? het gaat om het uiteindelijke rekenvermogen, en dat toch wel meetbaar hoger. of ze dat nu linksom of rechtsom doen...
bovendien ben ik ervan overtuigd dat met de technieken van vandaag de processoren van gisteren nog wel een flink stukje sneller kunnen worden gemaakt, alleen is het niet rendabel om daar veel tijd in te steken.

hoe dan ook, zeggen dat chipontwerp en/of klassiek processorontwerp uitontwikkeld is, is bullshit, er wordt nog op genoeg vlakken geïnnoveerd.

[ArnoAG]

Daar heb je natuurlijk gelijk in, maar niet elk programma heeft voordeel bij meer cores, of je een tripple of quad core processor hebt maakt voor sommige games niet veel uit: http://www.tomshardware.c...lti-core-cpu,2280-10.html

[postbus51]

games waar heb je het over , als de scheduling en compiler dit niet doen jammer dan
en als de games maker dit niet van belang vind dan gebeurt dat niet , nog meer jammer dan

[Qreed]

games waar heb je het over ...

Wellicht heeft hij het over die applicaties die, in de afgelopen paar jaar, opeens meer geld weet om te zetten dan de film industrie. Wellicht heeft hij het over die applicaties die, zeker voor de thuis consument, de voornamelijke reden is geweest om meer juice in zijn PC te stoppen.

... als de scheduling en compiler dit niet doen jammer dan
en als de games maker dit niet van belang vind dan gebeurt dat niet , nog meer jammer dan

Wellicht kan uit deze opmerking geconcludeerd worden dat je het effect "threading" performance in game/rt simulatie totaal niet interesseert? Tja ... jammer dan.

Sowieso is er naar mijn weten nog geen enkele C++ compiler die een executable intern in parallelle jobs weet te vouwen en games zijn juist een zeer goed voorbeeld in de discussie over threading. Hier altijd het knelpunt van de framerate in zit: het moment dat alle informatie over parallelle jobs voor een cycle aanwezig moet zijn.

[Verwijderd]

je kan als het er niet meer inpast ze nog altijd groter maken denk aan 200nm

[Santee]

Maar uit een elektrisch veld komt een magnetisch veld en andersom...
Er zal wel een mooi ingewikkeld verhaal achterzitten, in ieder geval super mooi van de TU Delft, hopelijk kan deze ontwikkeling er over enige tijd voor zorgen dat wij met hele kleine diskjes zitten met veel meer opslag, altijd goede ontwikkeling

[supersnathan94]

Nou niet altijd hoor. Ooit gehoord van een spoel? Daar treed idd een magnetisch veld op. In een gewone stroomkabel valt het mee omdat de stroom over het algemeen niet heel hoog is (de spanning ligt immers hoog.

Omgekeerd wekt een magnetisch veld niet altijd een elektrische stroom op. Immer als er gern verplaatsing van het veld plaats vind (bv draaiende dynamo) zal er ook geen stroom lopen (lampje brand niet).

[XlinKk]

Een elektrisch veld ontstaat wanneer er een verschil in spanning is tussen een voorwerp en zijn omgeving. Een magnetisch veld ontstaat wanneer er een elektrische stroom loopt. Met andere woorden: overal waar elektriciteitsleidingen zijn, zijn elektrische velden. Als er door deze leidingen ook stroom loopt ontstaat er ook een magnetisch veld.

[Verwijderd]

Elektrische en magnetische velden zijn toch onlosmakelijk aan elkaar gekoppeld sinds het werk van Maxwell?!?

(Helaas is het werk van Maxwell echter ook kreupel gemaakt door een zekere meneer Heaviside..)

[Verwijderd]

dat betekent niet dat je met een magnetisch veld ook altijd een elektrisch veld hebt, of vice versa. maxwell zegt iets over in de tijd veranderende magnetische en elektrische velden. in het "statische" geval betekent het een niet direct het ander.

[Verwijderd]

Je hebt gelijk met in de tijd veranderd vs. statisch. Dat vergat ik even, thnx.

[K_VL]

Wat een mooie stap voorruit dit!
Wetenschapper zijn is toch de mooist job op aarde, al zeg ik het zelf

[_Thanatos_]

door de draairichting van elektronen met hoogfrequente pulsen miljarden keren per seconde om te klappen

En dat zorgt niet voor een zwart gat, een antimaterie-annihilatie, of een onstopbare thermische fusie-reactie?

Ik zou als electron hier iig niet blij mee zijn

[richard1074]

Jammer dat zijn naam verkeerd is gespeld. Het is Leo Kouwenhoven.

[AgamemnonZ]

Een kort en duidelijk introductiefilmpje over qubits en wat ze aan het doen zijn aan de TU Delft.

[Mastermind]

Dus ze kunnen de up-down-spin van een elektron controleren door een elektrisch veld? Dat zou betekenen dat je, als je dit met verstrengelde elektronen doet, je de elektronen op de ene plek op de aardbol omhoog laat draaien en dit meten, en dan kun je er zeker van zijn dat op datzelfde moment de verstrengelde elektronen op de andere kant van de aardbol omlaag moeten draaien, ergo: Communicatie?