Diamantspin-qubit: hoe een piepklein defect in een diamant kwantumtechnologie mogelijk maakt
Een diamantspin-qubit is een kwantumbit — de basiseenheid van informatie in een kwantumcomputer — die niet gemaakt wordt met supergeleidende chips of gevangen atomen, maar met een natuurlijk foutje in een diamant. Diep in het kristalrooster van de diamant zit soms een plek waar één koolstofatoom is vervangen door een stikstofatoom, met daarnaast een leeg plekje waar een koolstofatoom zou moeten zitten. Dit duo heet een NV-centrum (nitrogen-vacancy center, oftewel stikstof-vacature-centrum). Het elektron dat aan dit defect vastzit, heeft een eigenschap genaamd spin, die zich gedraagt als een piepklein kompasnaaldje met twee mogelijke richtingen. Die twee richtingen kun je gebruiken als de 0 en 1 van een qubit — en dankzij de kwantummechanica ook als een mengvorm van beide tegelijk.
Het bijzondere is dat je dit kompasnaaldje kunt aansturen en aflezen met licht en radiogolven, en dat het zelfs bij kamertemperatuur redelijk stabiel blijft. Vergelijk het met een compasnaald die is ingebouwd in een edelsteen: met een groen laserlicht 'reset' je de naald naar een bekende stand, met microgolfpulsjes draai je hem in de gewenste richting, en het licht dat de naald vervolgens uitstraalt vertelt je in welke stand hij staat. De meeste andere qubit-typen moeten worden gekoeld tot bijna het absolute nulpunt om te functioneren; diamantspin-qubits hoeven dat in veel gevallen niet, wat ze aantrekkelijk maakt voor compactere en praktischer apparatuur.
Wat is het precies?
Diamant bestaat uit koolstofatomen die in een strak, regelmatig rooster zijn gerangschikt. Tijdens de groei van synthetische diamant — of door achteraf bewust stikstofatomen te implanteren — ontstaan er plekken waar een stikstofatoom naast een lege plek (een 'vacature', het ontbrekende koolstofatoom) in het rooster zit. Dit NV-centrum houdt een extra elektron vast waarvan de spin als qubit dient.
Om deze qubit te initialiseren, ofwel in een bekende beginstand te zetten, schijnt men groen laserlicht op het NV-centrum. Om de spin te laten 'draaien' — een kwantumbewerking uit te voeren — gebruikt men microgolfpulsen, vergelijkbaar met de golven in een magnetron maar met precies afgestemde frequentie en duur. Om de uitkomst af te lezen, kijkt men naar het rode licht dat het NV-centrum uitzendt: de helderheid daarvan verschilt subtiel per spintoestand, waardoor je met gevoelige detectoren kunt bepalen in welke toestand de qubit verkeerde.
Rond een NV-centrum zitten vaak ook koolstof-13-atomen, een zeldzame variant van koolstof die zelf ook een kernspin heeft. Door de elektronspin van het NV-centrum te koppelen aan zulke nabijgelegen kernspins, kunnen onderzoekers meerdere qubits rond één NV-centrum groeperen — een klein 'register' van met elkaar verbonden qubits, dat bovendien relatief lang zijn kwantuminformatie vasthoudt omdat kernspins minder gevoelig zijn voor storingen dan elektronspins.
Naast het NV-centrum bestaan er verwante 'kleurcentra' in diamant, zoals het silicium-vacature-centrum (SiV) en germanium-vacature-centrum (GeV). Deze zenden licht uit met eigenschappen die beter passen bij glasvezelcommunicatie en fotonische chips, ten koste van iets kortere kwantumgeheugentijden. Onderzoekers wegen per toepassing af welk type kleurcentrum het beste past.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste voordeel van diamantspin-qubits is dat ze — in tegenstelling tot de meeste concurrerende qubit-technologieën — kunnen werken zonder extreme koeling tot temperaturen vlakbij het absolute nulpunt. Dat maakt in principe compactere, robuustere en minder energie-intensieve kwantumapparatuur mogelijk, al blijft opschalen naar veel qubits een grote uitdaging (zie hieronder).
Een tweede, inmiddels al veel verder ontwikkelde toepassing is kwantumsensing: NV-centra zijn extreem gevoelig voor magnetische velden, elektrische velden en temperatuur op nanoschaal. Dat maakt ze bruikbaar voor het meten van magnetische signalen in levende cellen, het bestuderen van materialen op atomair niveau, of het lokaliseren van defecten in elektronica.
Een derde doel is het bouwen van een kwantuminternet: een netwerk waarin kwantuminformatie tussen locaties wordt uitgewisseld via verstrengeling (een kwantummechanische correlatie tussen deeltjes die sterker is dan met klassieke natuurkunde mogelijk is). Omdat NV-centra fotonen kunnen uitzenden die verstrengeld zijn met hun spintoestand, kunnen ze dienen als knooppunten in zo'n netwerk, met toepassingen in zeer veilige communicatie (kwantumsleuteldistributie) en het verbinden van kwantumcomputers op afstand.
Ten slotte gebruiken natuurkundigen NV-centra ook voor fundamenteel onderzoek, zoals tests van de kwantummechanica zelf — bijvoorbeeld experimenten die aantonen dat kwantumverstrengeling niet te verklaren is met verborgen, klassieke variabelen.
Voorbeelden uit de praktijk
QuTech (TU Delft/TNO), 2015 — De onderzoeksgroep van Ronald Hanson voerde met NV-centra in diamant een zogeheten loophole-free Bell-test uit: een experiment dat overtuigend aantoont dat kwantumverstrengeling echt is en niet te verklaren met verborgen lokale variabelen. Elektronspins in twee diamanten op enkele kilometers afstand van elkaar werden verstrengeld, en het experiment sloot de belangrijkste 'achterdeurtjes' uit die eerdere tests nog open lieten.
QuTech, begin jaren 2020 — Dezelfde groep in Delft breidde het werk uit naar een klein kwantumnetwerk van meerdere NV-centrum-knooppunten die onderling verstrengeld raken, een belangrijke stap richting een werkend, uitbreidbaar kwantuminternet.
Quantum Brilliance — Dit Australisch-Duitse bedrijf (met wortels in onderzoek aan de Australian National University) ontwikkelt kwantumaccelerators op basis van NV-centra die bij kamertemperatuur werken, met als doel compacte, in bestaande supercomputers of datacenters inpasbare kwantumchips te maken, in plaats van de grote gekoelde installaties die andere kwantumcomputers vereisen.
Harvard University (groep van Mikhail Lukin) — Deze groep werkt aan silicium-vacature-centra in diamant, gecombineerd met nanofotonische chips, om compacte, goed te fabriceren knooppunten voor kwantumnetwerken te bouwen.
Element Six — Dit bedrijf, onderdeel van de De Beers Group, produceert ultrazuivere synthetische diamant die speciaal is ontworpen voor kwantumtoepassingen, en levert daarmee het grondmateriaal waarop veel van bovenstaand onderzoek is gebaseerd.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelstand verschilt sterk per toepassing. Kwantumsensing met NV-centra is het verst ontwikkeld: er bestaan al commerciële diamant-magnetometers die in laboratoria worden gebruikt om magnetische velden met hoge precisie in kaart te brengen.
Kwantumnetwerken met NV-centra hebben het stadium van overtuigende laboratoriumdemonstraties bereikt: verstrengeling over enkele kilometers en tussen een handvol knooppunten is aangetoond. Een grootschalig, praktisch bruikbaar kwantuminternet is echter nog vele jaren van ontwikkeling verwijderd, onder meer omdat het aantal fotonen dat daadwerkelijk bruikbaar wordt opgevangen nog beperkt is en de afstanden waarover verstrengeling betrouwbaar werkt nog klein zijn.
Kwantumcomputing met diamantspin-qubits staat, wat het aantal bruikbare qubits betreft, duidelijk achter op concurrerende technologieën zoals supergeleidende circuits of gevangen ionen. De grootste knelpunten zijn het precies plaatsen van NV-centra op de gewenste positie in het kristal, het efficiënt koppelen van meerdere qubits aan elkaar, en het opschalen van een paar qubits per knooppunt naar chips met veel meer qubits. Het is op dit moment onzeker hoe snel deze opschaling zal gaan en of diamantspin-qubits uiteindelijk vooral relevant blijven voor sensing en netwerken, of ook een serieuze rol gaan spelen in grootschalige kwantumcomputers.
Wie werken eraan?
Nederland speelt een vooraanstaande rol via QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, waar de onderzoeksgroep van Ronald Hanson wereldwijd toonaangevend is op het gebied van NV-centra en kwantumnetwerken.
Internationaal zijn onder meer Harvard University (groep van Mikhail Lukin) en de University of Chicago (groep van David Awschalom) actief op het gebied van spin-qubits in diamant en verwante materialen. Het Australisch-Duitse bedrijf Quantum Brilliance richt zich specifiek op commerciële, kamertemperatuur kwantumaccelerators op basis van diamant. Element Six, onderdeel van de De Beers Group in het Verenigd Koninkrijk, levert het gespecialiseerde diamantmateriaal dat veel van dit onderzoek mogelijk maakt. Ook diverse Duitse instituten, waaronder Fraunhofer-instituten en de Universiteit van Saarland, doen onderzoek naar kleurcentra in diamant. Op Europees niveau ondersteunt het Quantum Flagship-programma van de Europese Unie meerdere projecten op dit terrein.