Kwantumspin: de draaiing achter de kwantumrevolutie
Elektronen en andere elementaire deeltjes hebben een eigenschap die natuurkundigen "spin" noemen. Het woord doet denken aan een tolletje dat om zijn as draait, en dat beeld helpt om een eerste gevoel te krijgen: spin gedraagt zich namelijk als een minuscuul magneetje met een noord- en zuidpool. Een elektron is echter geen bolletje dat werkelijk ronddraait — spin is een intrinsieke, onveranderlijke eigenschap van het deeltje zelf, net zoals massa of lading dat zijn. Je kunt het vergelijken met een kompasnaald die permanent ingebouwd zit in elk elektron, en die naar "boven" of naar "beneden" kan wijzen ten opzichte van een magnetisch veld.
Wat kwantumspin bijzonder maakt, is dat die kompasnaald zich niet aan de gewone regels van onze dagelijkse wereld houdt. In de kwantummechanica kan spin tegelijkertijd een beetje "boven" én een beetje "beneden" zijn — een toestand die superpositie heet — totdat er een meting plaatsvindt. Bovendien kunnen de spins van twee deeltjes onderling verstrengeld raken, zodat het meten van de ene spin onmiddellijk iets zegt over de andere, hoe ver ze ook uit elkaar liggen. Deze eigenschappen maken spin tot een veelbelovende drager van informatie voor kwantumtechnologie: van razendsnelle kwantumcomputers tot extreem gevoelige sensoren.
Wat is het precies?
Spin werd in de jaren twintig van de vorige eeuw ontdekt, onder meer door het beroemde Stern-Gerlach-experiment uit 1922. Daarin werden zilveratomen door een ongelijkmatig magneetveld gestuurd. Klassiek zou je verwachten dat de atomen in een vloeiende waaier terechtkomen, maar in de praktijk splitsten ze zich in slechts twee scherp gescheiden bundels. Dat was het eerste bewijs dat spin niet elke waarde kan aannemen, maar slechts een beperkt aantal — meestal aangeduid als "spin-up" en "spin-down".
Voor een kwantumcomputer wil je deze spin-toestand gebruiken als kwantumbit, of "qubit": de kwantumversie van de gewone bit uit een computer, die niet alleen 0 of 1 kan zijn, maar ook elke tussenliggende superpositie. Om dat te doen, vangen onderzoekers meestal één enkel elektron op in een zogeheten kwantumdot — een piepklein stukje halfgeleidermateriaal, vaak silicium, dat het elektron gevangen houdt zoals een kuiltje een knikker vasthoudt. Met microgolfpulsen en elektrische of magnetische velden kan de spin van dat elektron vervolgens gericht gedraaid en gemanipuleerd worden.
Het uitlezen van de spintoestand gebeurt meestal indirect: de spin wordt eerst omgezet in een meetbaar ladingssignaal (spin-to-charge conversie) of, bij een ander veelgebruikt platform, in een optisch signaal. Dat laatste gebeurt bijvoorbeeld bij stikstof-vacature-centra (NV-centra) in diamant, waar een ontbrekend koolstofatoom naast een stikstofatoom een lokale elektronenspin creëert die met laserlicht uitgelezen kan worden. Al deze processen moeten meestal bij temperaturen van slechts enkele millikelvin boven het absolute nulpunt plaatsvinden, omdat warmtetrillingen de kwetsbare spintoestand anders razendsnel verstoren.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter onderzoek naar kwantumspin is het bouwen van schaalbare kwantumcomputers. Spin-qubits zijn aantrekkelijk omdat ze piepklein zijn — duizenden keren kleiner dan de supergeleidende schakelingen die bijvoorbeeld Google en IBM gebruiken — en omdat ze in principe gemaakt kunnen worden met dezelfde fabricagetechnieken als gewone siliciumchips. Dat zou het uiteindelijk makkelijker moeten maken om miljoenen qubits op één chip te integreren, wat nodig is voor praktisch bruikbare kwantumcomputers.
Daarnaast wordt spin gebruikt voor kwantumsensoren. NV-centra in diamant kunnen bijvoorbeeld magnetische velden met extreme precisie meten, tot op de schaal van een enkel molecuul. Dat opent deuren voor toepassingen zoals het bestuderen van individuele eiwitten, het verbeteren van medische beeldvorming, of het detecteren van minuscule defecten in materialen.
Een derde doel is spintronica: elektronica die niet alleen de lading van elektronen gebruikt zoals gewone chips doen, maar ook hun spin. Omdat het draaien van een spin in principe veel minder energie kost dan het verplaatsen van lading, hopen onderzoekers hiermee zuinigere geheugenchips en processoren te kunnen maken. Tot slot speelt spin een rol in onderzoek naar kwantumcommunicatie, waarbij verstrengelde spins gebruikt worden om informatie in principe afluisterveilig te versturen.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal concrete projecten laat zien hoe dit onderzoek zich vertaalt naar de praktijk. In 2023 presenteerde chipfabrikant Intel de testchip "Tunnel Falls", met twaalf siliciumgebaseerde spin-qubits. Intel verspreidde deze chip onder verschillende onderzoeksgroepen, juist om het veld als geheel vooruit te helpen in plaats van alleen intern onderzoek te doen.
Aan de TU Delft bouwde de onderzoeksgroep van hoogleraar Lieven Vandersypen, verbonden aan het onderzoeksinstituut QuTech, in 2021 een zes-qubit spin-qubitprocessor in silicium, met besturingsnauwkeurigheden boven de 99 procent — een belangrijke drempel omdat foutcorrectie bij dat niveau in principe haalbaar wordt. Delft en RIKEN in Japan meldden in 2022 gezamenlijk qubit-poorten met een betrouwbaarheid van meer dan 99,9 procent in siliciumspin-systemen.
In Australië werkte de groep van Andrew Dzurak aan de UNSW Sydney al sinds de jaren 2010 aan qubits gebaseerd op enkele fosforatomen in silicium; dit onderzoek leidde in 2022 tot de oprichting van het bedrijf Diraq, dat spin-qubittechnologie verder wil opschalen in samenwerking met chipfabrikanten.
Op het gebied van sensoren maakt de onderzoeksgroep van Ronald Hanson aan de TU Delft al jarenlang gebruik van NV-centra in diamant, onder meer voor fundamenteel onderzoek naar kwantumverstrengeling over grote afstanden. Commerciële toepassingen van diezelfde technologie worden inmiddels aangeboden door bedrijven zoals het Zwitserse Qnami, dat NV-diamant-magnetometers verkoopt voor materiaalonderzoek.
Hoe ver is de techniek?
Spin-qubits zijn wetenschappelijk al behoorlijk volwassen: individuele en gekoppelde qubit-operaties halen inmiddels routinematig betrouwbaarheden boven de 99 procent, wat lange tijd als een cruciale drempel voor foutcorrectie werd gezien. Toch blijft het aantal qubits op één chip nog beperkt tot enkele tientallen in onderzoekslabs, terwijl concurrerende technieken zoals supergeleidende qubits, gebruikt door onder meer Google en IBM, inmiddels chips met honderden qubits laten zien.
Een belangrijk obstakel is de onderlinge variatie tussen qubits: door minieme fabricageverschillen gedraagt geen enkele kwantumdot zich precies hetzelfde, wat het kalibreren van grote aantallen qubits tegelijk lastig maakt. Ook het bekabelen en aansturen van duizenden qubits bij extreem lage temperaturen — zonder dat de bekabeling zelf te veel warmte binnenbrengt — is een open technisch probleem. Onderzoekers werken daarom aan cryo-elektronica: besturingschips die zelf ook bij lage temperaturen kunnen functioneren, dicht bij de qubits.
De basis van dit onderzoeksveld werd gelegd door het theoretische voorstel van Daniel Loss en David DiVincenzo in 1998 om elektronenspin als qubit te gebruiken. Het eerste experimentele bewijs van een werkende, individueel bestuurbare spin-qubit volgde in 2012 in Delft. Sindsdien is de voortgang gestaag maar niet spectaculair snel: verbeteringen komen vooral in kleine, meetbare stappen op het gebied van betrouwbaarheid en aantal qubits. Een concrete datum waarop spin-qubits een praktisch bruikbare, foutgecorrigeerde kwantumcomputer opleveren, is niet te geven; sommige onderzoekers noemen voorzichtig de jaren 2030 als mogelijk tijdvak, maar dat blijft onzeker en hangt af van doorbraken die nu nog niet gegarandeerd zijn.
Wie werken eraan?
In de industrie investeert vooral Intel zwaar in siliciumgebaseerde spin-qubits, mede omdat het bedrijf al decennialange ervaring heeft met precisiefabricage van siliciumchips. Het Australische Diraq en het Britse Quantum Motion zijn kleinere, gespecialiseerde bedrijven die eveneens op siliciumspin-qubits inzetten, vaak in samenwerking met grote chipfabrikanten zoals GlobalFoundries.
Op onderzoeksgebied is QuTech — een samenwerking tussen de TU Delft en onderzoeksorganisatie TNO — een van de wereldwijde koplopers in spin-qubitonderzoek, samen met het Japanse onderzoeksinstituut RIKEN. In Australië is de UNSW Sydney een belangrijk centrum, evenals de University of Wisconsin-Madison in de Verenigde Staten en CEA-Leti in Frankrijk, dat onderzoek doet naar kwantumdots op basis van industriële chipfabricagelijnen.
Op landelijk niveau steunen verschillende overheden dit onderzoek via grote programma's: Nederland investeert via het Nationaal Groeifonds in kwantumtechnologie, de Europese Unie doet dit via het Quantum Flagship-programma, de Verenigde Staten via het National Quantum Initiative, en Japan via een eigen "Moonshot"-onderzoeksprogramma voor kwantumtechnologie. Deze publieke investeringen weerspiegelen de verwachting dat kwantumtechnologie op termijn strategisch belangrijk wordt, ook al is de tijdlijn naar praktische toepassingen onzeker.