TU Delft meet verstrengeling spins in diamant voor quantumcomputer

Wetenschappers van de TU Delft hebben naar eigen zeggen een belangrijke stap gezet in de ontwikkeling van een werkende quantumcomputer. Ze wisten twee quantummechanisch verstrengelde atoomkernen in een diamant te manipuleren.

Voor het eerst is het de wetenschap gelukt om te bewijzen dat spin-toestanden van atoomkernen, omhoog of omlaag, in een vaste stof verstrengeld waren. Ze deden dit door een gezamenlijke eigenschap van het duo atoomkernen te meten en ze daardoor te dwingen om precies dezelfde kant, of precies de tegenovergestelde op te wijzen. Het team van wetenschappers van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft, de Stichting FOM en Element Six Nature Physics hebben hun doorbraak beschreven in het wetenschappelijk magazine Nature Physics.

De onderzoekers beschouwen de spin van een atoomkern in een synthetische diamant als een goede kandidaat om de bouwsteen, of qubit, van een quantumcomputer te worden. In die vaste stof is de uiterst gevoelige toestand namelijk relatief goed beschermd tegen verstorende invloeden van buitenaf. De spin is het quantummechanische impulsmoment: omhoog of omlaag. Al eerder lukte het om de spintoestand van deze atoomkernen uit te lezen, maar het verstrengelen van meerdere atoomkernen was lastig omdat de band tussen de spins in diamant zeer zwak is.

Voor het ontwikkelen van een werkende quantumcomputer is de verstrengeling echter cruciaal. Een meting aan een spintoestand van een deeltje geeft bij een verstrengeling namelijk direct informatie over, en is direct van invloed op de toestand van een ander deeltje, ongeacht de afstand. Als de spins als qubit, die tegelijkertijd 0 en 1 zijn, ingezet worden, zorgt een uitbreiding met behoud van de verstrengeling voor een groter quantumregister en daarmee voor een vergroting van de rekencapaciteit.

Het team wist te bewijzen dat de atoomkernen in diamant inderdaad verstrengeld waren door, in de woorden van de TU Delft, gebruik te maken van 'een elegante variatie op de conventionele quantummetingen om de verstrengeling te maken'. "In plaats van elke atoomkern apart te ondervragen, hebben ze een gezamenlijke eigenschap van de twee atoomkernen gemeten zonder iets over de toestand van de atoomkernen afzonderlijk te weten te komen", schrijft de universiteit.

Reacties (28)

Toevallig vanochtend nog college gehad van een bij dit onderzoek betrokken professor, ik blijf het bijzonder vinden dat zulke ingewikkelde onderzoeken zo dichtbij je staan.

Hier de website van het onderzoek: http://vandersypenlab.tudelft.nl/research/

[Reactie gewijzigd door HallonRubus op 16 oktober 2012 20:22]

En nu de praktische vragen:
1.- Je hoort telkens 'doorbraken' op quantum computer gebied. Wanneer weten ze nu alles om een werkende quantum computer te bouwen?
2.- Wanneer zal de eerste quantum computer gaan functioneren? Of moeten ze straks nog eerst 10 jaar software schrijven?

Voor de 'moderne computer' duurde dit ook enkele decenia. De manipulatie van dit soort deeltjes/toestanden is nog eens een stap moeilijker. Geen enkel fundamenteel onderzoek heeft direct toepassingen maar kan jaren, zo niet decenia, zo niet eeuwen duren voordat er iets mee wordt gedaan.

Zodra de onderdelen in pricewatch staan en er een kwibus wat voor schrijft

Ik hoop echt dat ik mag meemaken dat dit praktisch toegepast wordt!
Klinkt als een mooie stap in die richting.

Toch is dit niet zo prettig voor bestaande encryptiealgoritmen, die zijn dan compleet waardeloos geworden.

Er zijn al theoretische alternatieven.

Inderdaad, je hebt Quantum Key Distribution, dat ook onkraakbaar schijnt te zijn

De spin is het quantummechanisme impulsmoment: omhoog of omlaag.

Dat is natuurlijk niet helemaal juist. In principe heeft spin wel meer toestanden en de representatie van "omhoog of omlaag" is dan ook vaak niet gepast. Bij een spin 1 deeltje is je spinorruimte gerepresenteerd door een 3 dimensionale ruimte. Juist bij het kwantumspin kun je trouwens niet spreken van "of", een toestand is altijd een lineaire combinatie van beiden in het geval van spin 1/2.
Impulsmoment bestaat ook gewoon quantummechanisch wat overeenkomt met het bekende impulsmoment, al dan niet gekwantiseerd. Er is echter ruimte voor een soortgelijke impulsmomentobservabele, spin.

(in dit geval geen linkje naar wikipedia, dat is allerminst didaktisch namelijk)

[Reactie gewijzigd door Laurent op 16 oktober 2012 20:05]

Behalve het feit dat een quantumdeeltje niet slechts 2 toestanden maar meerdere kan aannemen, en bovendien meerdere van deze toestanden tegelijk kan hebben, maakt quantumcomputers zo krachtig. Waar een bit slechts 1 of 0 kan zijn, kan een qubit deze waarden tegelijk bevatten maar ook andere waarden dan 0 of 1 aannemen.

Omdat het hier een proof of concept betreft heeft t geen zin om alle mogelijke toestanden te beschouwen en kun je beter meten op een manier die robuust werkt, en je beperken tot de 2 toestanden (grofweg 'up' en 'down')

Overigens kan wikipedia wel degelijk didactisch zijn. Het is de vraag of de informatie altijd juist is (waarschijnlijk niet) maar dat maakt voor de didactiek ervan niet uit

...en wat kunnen we hier nu mee? Ik vind het artikel niet bijster duidelijk, het is natuurlijk ook lastige materie. Maar ik vind dat er nu wel heel makkelijk dingen gesteld worden. Bijvoorbeeld: waarom wordt het quantumregister groter als je de spins als qubit inzet en "uitbreidt met behoud van verstrengeling"? Dat het register groter wordt als je meer qubits inzet, lijkt me nogal logisch. Maar dat lijkt hier niet bedoeld te worden?

Oh, en wat Laurent zegt is helemaal waar: beide quantumtoestanden komen tegelijkertijd voor. Wat het maar 100% omhoog en 100% omlaag, dat maakte de materie wat makkelijker. Is dat ook niet de reden dat een quantumcomputer nooit 2x hetzelfde antwoord geeft als antwoord op een som? 2+2 is meestal 4, maar soms 5 en soms weer 3?

[Reactie gewijzigd door Grrrrrene op 16 oktober 2012 20:13]

ze zijn pas verstrengeld als ze nog altijd dezelfde toestand hebben, zelfs al worden ze van elkaar verwijderd en als de ene wordt beïnvloed dan vertoond de andere hetzelfde gedrag. Dat is dus niet het geval en is er geen sprake van verstrengeling

Breedband 'wifi' met een onbeperkt bereik. Nice! Lag in de orde van 15 minuten op de afstand naar mars zijn wel acceptabel

Wat ik me wel afvraag is: hoe vinden ze een matchend paar deeltjes? Als een deeltje een snaar/verstrengeling met een ander deeltje heeft, maar dit andere deeltje kan zich willekeurig waar in het universum bevinden, moet het vrij lastig zijn om in dit 'oneindig' aantal deeltjes het juiste paar te vinden? Of is zo'n vertrengeling kunstmatig op te wekken?

Ik voel me niet die gladiool uit de tv-reclame die even keurig uitgelegd krijgt hoe zijn polis precies werkt. Iedereen kwaakt chinees......Zo voel ik me ook als ik dit hier lees. Dat gaat nog. Maar het proberen te begrijpen is echt "and now for something completely different..." Razend interessant maar snap er geen hout van.
Maar wel doorgaan hoor, is echt schitterend om die discussies te volgen. Soms, heeeeel soms begrijp ik er iets van :-) Heerlijk, die tweakers....

Kan iemand dit in het Nederlands even uitleggen?

Volgende week kunnen we gratis naar Mars bellen, zonder vertraging en zonder zendmasten

Die vertraging krijg je met verstrengeling helaas niet weggewerkt. De "updates" naar de andere kant van de verstrengeling zijn namelijk nog steeds gebonden aan de snelheid van het licht.

Dit betekent dat het berichtje van de Aarde naar Mars tussen de 3 en 22 minuten zal nemen voordat het aankomt, afhankelijk van de afstand tussen onze twee planeten.

@allen hier beneden: Bedankt voor de uitleg

[Reactie gewijzigd door Dicebar op 16 oktober 2012 21:56]

Nee, dat zijn ze niet (gebonden aan de snelheid van licht). Zie de "Concepts" sectie van de wiki over quantum entanglement http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement . Het staat overigens ook in het artikel hierboven genoemd: "Een meting aan een spintoestand van een deeltje, geeft bij een verstrengeling namelijk direct informatie over, en is direct van invloed op de toestand van een andere deeltje, ongeacht de afstand."

Overigens niet raar dat je dit zegt: het zat Einstein en Schrödinger ook al niet lekker. Toch niet de minste fysici. De oplossing zit hem er in dat je via quantum entanglement geen informatie van de ene naar de andere (entangled) state kunt sturen. Informatie-overdracht is dus nog steeds aan de snelheid van het licht gebonden.

[Reactie gewijzigd door casparvl op 16 oktober 2012 21:06]

Om eventjes wat meer toe te lichten: Voordat de toestand van 1 van de 2 deeltjes uit een verstrengeld paar gemeten wordt is deze toestand nog niet bepaald. We weten alleen dat deze gelijk zijn aan elkaar. Op het moment dat je de ene meet wordt dus ook de toestand van de ander bepaald.

Nu gebeurd er alleen iets vervelends: op het moment dat je de toestand van één van de 2 deeltje leest, vernietig je de verstrengeling. Hierdoor is het dus niet mogelijk om direct informatie over te sturen.

Toch kun je hier wel leuke dingen mee: stel, je hebt de deeltjes A en B die verstrengeld zijn met elkaar. En je hebt ook een deeltje C met een bepaalde toestand. Stel dat je deze deeltjes een groot eind uit elkaar weet te krijgen, deeltje A hier bij Jantje, en deeltje B op mars bij Piet. Jantje kan nu op aarde deeltje A combineren met deeltje C (zie het als XOR-en van de van A en C). Hierbij vervalt deeltje A en de verstrengeling. Laten we het resultaat van deze combinatie D noemen. De verstrengeling is nu verbroken, maar de toestand van deeltje B is nog wel gelijk aan de toestand van deeltje A. Vervolgens kan Jantje D naar piet sturen, en Piet kan deze vervolgens weer combineren met deeltje B. Hiermee vervalt deeltje D, maar uit het resultaat van D+B kan Piet de oorspronkelijke boodschap C bepalen.

De snelheid waarmee de informatie wordt overgestuurd is in het bovenstaande voorbeeld afhankelijk van de snelheid waarmee D weggestuurd kan worden, en dit is slechts de snelheid van het licht. We hebben hier op het gebied van snelheid dus niet zoveel mee bereikt. Wat we hier echter wel mee hebben bereikt is een "perfecte" encryptiemethode.

Je wilt niet weten hoe ik me voel dat ik je bericht waarin je het over Jantje en Piet hebt niet kan snappen (ja een klein beetje).
Toch vind ik het allemaal zeer interessant, maar is niet ergens een één of andere uitleg die wat uitgebreider is? Mag best wel wat leesvoer zijn hoor.

Tiddo3 heeft het goed geprobeerd.
Wat je moet onthouden is dat verstrengeling te maken heeft met een 'staat van zijn' van deeltjes. De staat van de een zegt iets over de staat van het verstrengelde deeltje.
Dit fenomeen kunnen we (net als bijvoorbeeld magnetisme) nuttig gebruiken, maar het is geen vorm van communicatie.

heb je daar een bron voor?, want voor zover ik weet was de update instant.
verder super om te zien dat de laatste weken we echt opschieten met quantum computers, al een paar hoopvolle berichten gezien.

ook met super geleiding komen we dichter in de buurt dus dat is ook positief, quantum computers met supersnelle netwerken, lets go

De "update" is wel instant, echter is theoretisch niet mogelijk om aan de andere kant te weten hoe of welk deeltje verstrengeld is het met het deeltje waar het "bericht" vandaan komt. De universiteit van Nottingham heeft een amicale youtube-reporter die op wat hoger niveau de wetenschap volgt, dit is een video uit het natuurkunde kanaal die het een en ander uitlegt.

Deze fantasien doet me denken aan discussies over tijdrijzen:

Door een theoretische definitie van tijd die tekortschiet, ontstaan er zulke fantasien.
Ik geloof namelijk, en ik blijk niet de enige te zijn, dat tijd niet bestaat maar een soort afgeleide is die de mens heeft verzonnen om de 'tijdservaring' te benoemen, verklaren en meten. Maar in werkelijkheid bestaat deze niet en is tijdsbeleving relatief aan beweging van deeltjes, objecten, ten opzichte van andere deeltjes en objecten.

Indien ieder deeltje, van kleinste tot grootste

(wat mijns inziens niet bestaat, is slects een momentopname van "de staat val alle deeltjes in het heelal", omdat tijd niet bestaat, maar tijdsbeleving relatief is aan beweging van deeltjes en objecten ten opzichte van andere objecten.. staat elk deeltje in het universum stil, dan houdt tijd ook meteen op met bestaan).

Zo ook deze 'instant' verhaal.. de afstanden tussen atomen zijn zo klein dat je misschien over instant kunt spreken, maar met mijn gezonde verstand kan ik niet geloven dat er nog verstrengeling mogelijk is tussen 2 planeten, laat staan over afstanden van millimeters.. Dit is vrijwel zeker alleen het geval op nanometer schaal.

En daarvoor hoef ik niks over verstrengeling te weten om aan te voelen dat hier de fantasie doorschiet.. dat je er een quantum computer mee zou kunnen bouwen, geloof ik wel. Maar dat is dus allemaal op nano niveau.

De "update" is wel instant, echter is theoretisch niet mogelijk om aan de andere kant te weten hoe of welk deeltje verstrengeld is het met het deeltje waar het "bericht" vandaan komt. De universiteit van Nottingham heeft een amicale youtube-reporter die op wat hoger niveau de wetenschap volgt, dit is een video uit het natuurkunde kanaal die het een en ander uitlegt.

De theoretische definitie van 'tijd' bestaat alleen maar omdat het de definitie is die onze 'tijdservaring' beter beschrijft, danwel verklaart dan de alternatieve theoriën.

Je kunt nu zeggen dat de theorie niet alle waarnemingen (zoals deze) dekt, maar voordat je gaat klagen kun je beter met een betere theorie komen die de feiten beter dekt. Als die dat doet en je kunt dat bewijzen, dan kon je weleens beroemd worden en je helpt de wetenschap vooruit.

Om je op weg te helpen: http://nl.wikipedia.org/wiki/Ruimtetijd

De "update"is instantaan, maar je kunt er geen informatie mee overseinen.Stel je hebt twee deeltjes met spin up/down entangled, de een stuur je naar links, de ander naar rechts.Om de entanglement te verbreken ga je nu de spin van het linker deeltje meten.Je kunt op geen enkele manier van te voren bepalen wat je meting gaat opleveren.Dit kan spin up of down zijn, kans 50/50.
Als je dus een hele stroom entanglede deeltjes gaat meten, krijg je een random serie up/downs en aan de andere kant precies het tegenovergestelde.Wat je dus instantaan "overseint" is random noise.

Wikipedia geeft een vrij leesbare uitleg: http://nl.wikipedia.org/wiki/Kwantumcomputer