AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
Hamamatsu: licht is de onmisbare motor achter kwantumcomputers met atomen
Het Japanse fotonicabedrijf Hamamatsu levert lasers, lichtmodulatoren en detectoren aan bouwers van kwantumcomputers die werken met losse ionen en atomen. Naarmate deze machines groter worden, veranderen de eisen aan die lichttechnologie ingrijpend, vertelt kwantumspecialist Klea Dhmitri van Hamamatsu in een interview met The Quantum Insider.
Wanneer mensen aan een kwantumcomputer denken, zien ze vaak het gouden kroonluchter-achtige apparaat van IBM of Google voor zich. Maar in dat type machine speelt licht geen rol. Bij een heel andere familie van kwantumcomputers, gebaseerd op ionenvallen en atoomarrays, is licht juist onmisbaar. Dat vertelt Klea Dhmitri, die bij het Japanse fotonicabedrijf Hamamatsu de kwantumtak in Noord-Amerika leidt, in een interview met The Quantum Insider.
Licht bestuurt de bouwstenen van de kwantumcomputer
Een qubit, de kwantumversie van een gewone bit, kan in deze machines bestaan uit een los ion of atoom. Om zo'n deeltje te laten rekenen, is drie soorten licht nodig. Lasers sturen de logische bewerkingen aan, spatial light modulators (SLM's) vormen de zogeheten optische tweezers die neutrale atomen op hun plek houden, en gevoelige detectoren lezen uiteindelijk uit of een atoom oplicht (een 1) of donker blijft (een 0). Hamamatsu levert al deze onderdelen, van lasers - onder meer via de overname van het Deense bedrijf NKT Photonics - tot de modulatoren en de detectoren zelf.
Van ultraviolet naar zichtbaar licht
De geschiedenis van deze technologie laat zien hoe snel de eisen veranderen. In 1995 voerden onderzoekers de eerste tweeqbit-poort uit met het element ytterbium, dat licht uitzendt bij 369 nanometer, in het ultraviolet. Jaren later stapte een deel van de onderzoeksgemeenschap over op barium, dat licht geeft bij 493 nanometer en dus zichtbaar is. Die overstap opende de deur naar nieuwe soorten detectoren, maar bracht ook nieuwe uitdagingen met zich mee. Naarmate onderzoekers meer ionen en atomen tegelijk in een systeem stoppen, moeten detectoren niet alleen gevoelig zijn, maar ook snel, scherp en eenvoudig te integreren in een steeds complexer opgebouwd apparaat.
De strijd tussen twee soorten lichtsensoren
Voor het opvangen van de allerkleinste lichtflitsen gebruikt de sector twee hoofdtechnieken. De fotomultiplicatorbuis (PMT) bestaat al zeventig jaar en werkt via het foto-elektrisch effect: een foton raakt een fotokathode, waarna een elektron vrijkomt dat in opeenvolgende versterkingstrappen, dynodes genaamd, wordt vermenigvuldigd tot een meetbare stroom. Dezelfde technologie zit in PET-scanners in ziekenhuizen en hielp bij het beroemde Japanse Kamiokande-experiment de massa van neutrino's aan te tonen. Het nieuwere alternatief is de SPAD, een silicium-detector die fotonen met een hoger rendement opvangt - tot 80 procent, tegen minder dan 50 procent bij een PMT - en die zich makkelijker tot grotere rijen laat combineren. Het nadeel: hoe groter het detectoroppervlak, hoe meer ruis, de zogeheten dark count, er ontstaat. Welke techniek het beste past, hangt daarom niet alleen af van gevoeligheid, maar van het hele systeem waarin de sensor moet werken.
Voor Dhmitri is dat precies de kern van haar werk: meedenken met onderzoekers en bedrijven over welke lichtoplossing nu nodig is, en tegelijk met de R&D-afdeling in Japan alvast bouwen aan de volgende generatie componenten. Naarmate kwantumcomputers met ionen en atomen groter en praktischer worden, groeit ook het belang van de onzichtbare fotonica die ze aan het werk houdt.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? De opschaling van kwantumcomputers met ionen en atomen hangt niet alleen af van slimmere algoritmes, maar ook van steeds betere lasers, modulatoren en lichtdetectoren. Bedrijven als Hamamatsu bepalen daarmee mede het tempo waarin deze kwantumtechnologie praktisch inzetbaar wordt. Betere detectoren maken grotere en nauwkeurigere qubit-systemen mogelijk, wat weer sneller onderzoek naar bijvoorbeeld nieuwe materialen of medicijnen kan opleveren.
- Qubit
- De kwantumversie van een bit, de kleinste rekeneenheid van een kwantumcomputer, die met een atoom of ion kan worden gemaakt.
- Ionenval
- Een systeem dat geladen atomen (ionen) met elektrische en magnetische velden op hun plek houdt om als qubit te gebruiken.
- Atoomarray-kwantumcomputer
- Een kwantumcomputer die neutrale atomen in een rooster van lichtvallen vastzet en die als qubits gebruikt.
- Optische tweezer
- Een sterk gefocuste lichtstraal waarmee losse atomen op een vaste plek in de ruimte worden vastgehouden.
- Spatial light modulator (SLM)
- Een chip die een lichtbundel in duizenden losse lichtpuntjes kan opsplitsen, gebruikt om optische tweezers te vormen.
- Fotomultiplicatorbuis (PMT)
- Een zeventig jaar oude lichtdetector die via het foto-elektrisch effect en versterkingstrappen een enkel foton meetbaar maakt.
- Foto-elektrisch effect
- Het natuurkundige verschijnsel waarbij licht een elektron uit een materiaal vrijmaakt, ontdekt door Einstein.
- Dynode
- Een tussenlaag in een fotomultiplicatorbuis die het signaal van een enkel elektron stap voor stap versterkt.
- SPAD (single-photon avalanche diode)
- Een silicium-detector die met een lawine-effect al bij één foton een meetbaar signaal geeft.
- Dark count
- Een vals signaal dat een lichtdetector afgeeft zonder dat er daadwerkelijk een foton is binnengekomen.
- Fotokathode
- Het lichtgevoelige laagje in een fotomultiplicatorbuis waar een foton een elektron losmaakt.
- Ytterbium
- Een chemisch element dat als ion wordt gebruikt in vroege kwantumcomputerexperimenten, met licht in het ultraviolet.
- Barium
- Een chemisch element dat als ion in kwantumcomputers wordt gebruikt en licht uitzendt in het zichtbare spectrum.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
