Ionenval: hoe een gevangen atoom de bouwsteen van de kwantumcomputer werd
Een ionenval is een piepklein apparaat dat een enkel geladen atoom (een ion) volledig stilzet en op zijn plek houdt, zwevend in een vacuüm, zonder dat het ook maar iets aanraakt. Dat gebeurt met een combinatie van elektrische en soms magnetische velden die als een soort onzichtbare kooi om het deeltje heen sluiten. Het atoom raakt niets aan, botst nergens tegenaan en kan daardoor extreem lang stabiel blijven.
Vergelijk het met een balletje dat op de bodem van een schaal blijft liggen: duw je het opzij, dan rolt het vanzelf terug naar het laagste punt. Een ionenval doet iets vergelijkbaars, maar dan met elektrische velden in plaats van zwaartekracht, en met een deeltje dat duizenden keren per seconde heen en weer geduwd wordt zodat het gemiddeld genomen stil blijft staan. Dat ene, geïsoleerde atoom is voor natuurkundigen een soort perfect laboratorium: er is niets omheen dat het kan verstoren, dus je kunt het extreem nauwkeurig bestuderen en besturen. Precies dat maakt ionenvallen zo waardevol, van kwantumcomputers tot de nauwkeurigste klokken ter wereld.
Wat is het precies?
Een ion is een atoom waarvan een elektron is weggehaald, waardoor het een elektrische lading krijgt. Omdat geladen deeltjes reageren op elektrische velden, kun je ze met de juiste velden vastzetten. Het probleem is dat een statisch elektrisch veld alleen nooit in alle richtingen tegelijk kan vasthouden: duw je van links en rechts, dan glipt het deeltje er van boven of onder uit.
De Duitse natuurkundige Wolfgang Paul loste dit in de jaren vijftig op met een slimme truc: hij liet het elektrische veld razendsnel wisselen van richting, miljoenen keren per seconde. Het ion wordt dan voortdurend heen en weer geduwd, maar het effect middelt uit tot een stabiele val. Dit heet tegenwoordig de Paul-val of radiofrequentie-val (RF-val), genoemd naar de wisselstroom-frequentie waarmee het veld schakelt. Een andere aanpak, de Penning-val, gebruikt in plaats daarvan een combinatie van een statisch elektrisch veld en een sterk magneetveld. Paul en de Amerikaanse natuurkundige Hans Dehmelt (bedenker van de Penning-val) kregen hiervoor in 1989 samen met Norman Ramsey de Nobelprijs voor de Natuurkunde.
Om het gevangen ion echt stil te krijgen, wordt het bovendien laser-gekoeld: laserlicht van precies de juiste kleur remt de beweging van het atoom af tot het nauwelijks nog trilt, soms tot temperaturen van een fractie van een miljoenste graad boven het absolute nulpunt. In die toestand kunnen onderzoekers de interne energietoestanden van het atoom, bijvoorbeeld waar het ene elektron zich precies bevindt, heel precies uitlezen en veranderen met laserpulsen. Die energietoestanden vormen de basis voor toepassingen als kwantumcomputing en ultraprecieze klokken.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste reden waarom ionenvallen nu volop in de belangstelling staan, is kwantumcomputing. Een normale computerbit is een 0 of een 1. Een kwantumbit, of qubit, kan dankzij kwantummechanica in een mengsel van beide tegelijk verkeren. Een gevangen ion is een uitstekende kandidaat-qubit: zijn twee energietoestanden vertegenwoordigen de 0 en de 1, en omdat het ion vrij zweeft en niets aanraakt, blijft die kwantumtoestand ongewoon lang stabiel (een eigenschap die coherentietijd heet).
In 1995 stelden natuurkundigen Juan Ignacio Cirac en Peter Zoller voor hoe je meerdere gevangen ionen met elkaar kunt laten “praten”: door ze zo dicht bij elkaar te zetten dat ze via hun gedeelde trillingsbeweging (vergelijkbaar met twee knikkers die via een verbonden veer op elkaar reageren) kwantuminformatie uitwisselen. Dat voorstel geldt als het startschot voor ionenvallen als serieus platform voor kwantumcomputers, naast concurrerende technieken zoals supergeleidende chips (gebruikt door onder meer Google en IBM).
Los van kwantumcomputing worden ionenvallen ook gebruikt om de nauwkeurigste klokken ter wereld te bouwen (optische atoomklokken) en in massaspectrometrie, een techniek waarbij moleculen op basis van hun massa worden geïdentificeerd, veel gebruikt in scheikundig, forensisch en medisch onderzoek. In alle gevallen is het doel hetzelfde: een deeltje zo geïsoleerd en stabiel mogelijk vasthouden om het extreem precies te kunnen meten of besturen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Amerikaanse NIST (National Institute of Standards and Technology) bouwde onder leiding van natuurkundige David Wineland decennialang baanbrekend ionenval-onderzoek op, met onder meer een aluminium-ionklok die tot de nauwkeurigste tijdmeters ter wereld behoort. Wineland kreeg hiervoor in 2012 de Nobelprijs voor de Natuurkunde, samen met de Franse onderzoeker Serge Haroche.
Het Amerikaanse bedrijf IonQ, opgericht in 2015 door natuurkundigen Christopher Monroe en Jungsang Kim, bouwt kwantumcomputers op basis van gevangen ytterbium-ionen en ging in 2021 als een van de eerste zuivere kwantumcomputerbedrijven naar de beurs.
Quantinuum, ontstaan in 2021 uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum, ontwikkelt de zogeheten H-serie ionenval-systemen en behoort tot de bedrijven die regelmatig records claimen op het gebied van rekenkwaliteit (in tegenstelling tot puur het aantal qubits).
De onderzoeksgroep van natuurkundige Rainer Blatt aan de Universiteit Innsbruck in Oostenrijk geldt al sinds de jaren negentig als een van de belangrijkste Europese pioniers op dit gebied en bracht spin-offbedrijven voort zoals Alpine Quantum Technologies (AQT).
In het Verenigd Koninkrijk werkt het Oxford-spin-offbedrijf Oxford Ionics, opgericht in 2019, aan ionenvallen die volledig via elektronische chips worden aangestuurd in plaats van met complexe laseropstellingen, met als doel de technologie compacter en makkelijker op te schalen te maken.
Hoe ver is de techniek?
Ionenvallen als meetinstrument zijn volwassen technologie: ionenval-massaspectrometers staan al decennia in laboratoria wereldwijd, en ionenval-atoomklokken behoren tot de meest precieze meetapparaten die de mensheid ooit heeft gebouwd, met afwijkingen van hooguit een fractie van een seconde over miljarden jaren. Deze klokken worden onder meer onderzocht als mogelijke toekomstige opvolger van de huidige, op cesium gebaseerde definitie van de seconde.
Voor kwantumcomputing ligt dat anders. Ionenval-systemen behoren tot de meest betrouwbare kwantumcomputers die er zijn: de kans op een rekenfout per stap is er doorgaans lager dan bij concurrerende technieken. Het knelpunt is snelheid en schaal. Rekenstappen met laserpulsen duren microseconden, veel trager dan de nanoseconden van supergeleidende chips, en het simpelweg toevoegen van meer ionen aan één val wordt al snel onwerkbaar omdat de deeltjes elkaar dan gaan verstoren.
De oplossing waar de sector nu op inzet heet de QCCD-architectuur (Quantum Charge-Coupled Device), voorgesteld door onderzoekers waaronder David Kielpinski, Christopher Monroe en David Wineland in 2002: ionen worden niet in één grote val gepropt, maar fysiek verplaatst tussen kleinere valzones op een chip, en losse chips worden onderling gekoppeld via lichtdeeltjes (fotonen). Dit soort modulaire opschaling wordt actief onderzocht, maar systemen met honderden tot duizenden goed functionerende qubits, wat nodig wordt geacht voor werkelijk nuttige toepassingen, bestaan nog niet. Fabrikanten claimen regelmatig vooruitgang, maar onafhankelijke, eenduidige maatstaven om verschillende kwantumcomputers eerlijk te vergelijken ontbreken nog goeddeels.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten vormen het zwaartepunt: naast NIST zijn universiteiten als Maryland en Duke, en bedrijven als IonQ en Quantinuum, toonaangevend. Oostenrijk speelt via de Universiteit Innsbruck en spin-off AQT van oudsher een centrale rol in Europa. Duitsland telt onderzoeksgroepen aan onder meer de Universiteit Siegen en het bedrijf eleQtron, terwijl in het Verenigd Koninkrijk Oxford Ionics en academische groepen aan de Universiteit van Oxford actief zijn. Ook nationale meetinstituten zoals het Duitse PTB en het Franse Observatoire de Paris werken met ionenvallen aan precisieklokken. China investeert eveneens fors in kwantumtechnologie in brede zin, al ligt de publiek zichtbare nadruk daar vaker op andere platformen dan ionenvallen, zoals supergeleidende en fotonische systemen.