Goud als nieuwe bouwsteen voor kwantumcomputers

Kwantumcomputers rekenen met qubits, de kwantumversie van een gewone bit. Waar een bit altijd een 0 of een 1 is, kan een qubit tijdelijk in een mengvorm van beide verkeren. Combineer je meerdere qubits, dan groeit het aantal mogelijke toestanden exponentieel, wat kwantumcomputers in theorie razendsnel maakt bij bepaalde berekeningen. Het probleem: elke bekende qubit-technologie moet kiezen tussen stabiliteit en opschaalbaarheid. Ingevangen ionen houden hun kwantumtoestand lang vast, maar zijn lastig in grote aantallen te bouwen. Chips met supergeleidende circuits zijn wel goed te fabriceren, maar verliezen hun kwantuminformatie al na microseconden.

Het Britse bedrijf Delta Gold Technologies denkt dat gouden nanodeeltjes dit dilemma kunnen doorbreken. Het bedrijf financiert twee onderzoeksgroepen die goud op compleet verschillende manieren onderzoeken, maar wel voor hetzelfde doel: een qubit die precies op maat te maken is. Aan de Amerikaanse Penn State University werkt hoogleraar Kenneth Knappenberger met gouden nanoclusters: piepkleine goudklontjes waarin informatie wordt opgeslagen in de spin van elektronen en uitgelezen via gepolariseerd licht. Zijn team meette een spinpolarisatie van ongeveer 40 procent, het hoogste percentage dat ooit in dit type materiaal is gemeten. Bovendien lukt het al om deze nanoclusters in gramhoeveelheden te maken onder gewone laboratoriumomstandigheden, iets waar bijvoorbeeld ionenvallen niet aan kunnen tippen.

Elektrisch in plaats van optisch

Aan de Universiteit van Toronto kiest hoogleraar Harry Ruda voor een andere aanpak. Zijn team bouwt met behulp van Molecular Beam Epitaxy, een techniek waarbij materiaal atoomlaag voor atoomlaag wordt opgebouwd, extreem precieze platte goudstructuren. In plaats van licht gebruiken zij elektrische circuits om de spintoestanden aan te sturen en uit te lezen. Beide sporen zijn inmiddels beschermd met patenten: Penn State diende er drie in, Toronto één voorlopige aanvraag. Daarmee heeft Delta Gold een stevige uitgangspositie te pakken, nog voordat er een werkend apparaat op tafel ligt.

Waarom juist goud?

Het idee ontstond min of meer bij toeval, vertelt Delta Gold-directeur Mike Jones. Een vraag over katalyse aan Ruda leidde via een omweg tot het inzicht dat goud interessante kwantumeigenschappen heeft. Anders dan bijvoorbeeld een defect in een diamant, dat willekeurig ontstaat en dus moeilijk te reproduceren is, kun je een gouden nanocluster gericht ontwerpen. De grootte, de oppervlaktechemie en de moleculen die eraan vastzitten, bepalen samen de eigenschappen. Daardoor kan elke geproduceerde batch dezelfde kwaliteit hebben, in plaats van dat je moet hopen op een gelukkig toeval in de natuur. Dat maakt goud een kandidaat die chemische precisie combineert met de stabiliteit die andere geïsoleerde deeltjes al hadden. Of dit uiteindelijk tot een werkende kwantumcomputer leidt, moet nog blijken: beide onderzoeksgroepen staan nog ver af van een compleet werkend apparaat. Maar de combinatie van hoge coherentie, schaalbare productie en twee onafhankelijke bevestigingsroutes maakt goud in elk geval een serieuze nieuwkomer in een veld dat al decennia naar dezelfde doorbraak zoekt.