De ontwikkeling van een kwantumcomputer die problemen kan oplossen die klassieke computers alleen met grote moeite of helemaal niet kunnen oplossen – dat is het doel dat momenteel door een steeds groter aantal onderzoeksteams wereldwijd wordt nagestreefd. De reden: kwantumeffecten, die hun oorsprong vinden in de wereld van de kleinste deeltjes en structuren, maken veel nieuwe technologische toepassingen mogelijk. Zogenaamde supergeleiders, die het mogelijk maken om informatie en signalen te verwerken volgens de wetten van de kwantummechanica, worden beschouwd als veelbelovende componenten voor de realisatie van kwantumcomputers. Een struikelblok van supergeleidende nanostructuren is echter dat ze alleen functioneren bij zeer lage temperaturen en daarom moeilijk in praktische toepassingen te brengen zijn.
Onderzoekers van de Universiteit van Münster en het Forschungszentrum Jülich hebben nu voor het eerst aangetoond wat bekend staat als energiequantisatie in nanodraden gemaakt van hogetemperatuursupergeleiders – dat wil zeggen supergeleiders waarin de temperatuur zo hoog is dat kwantummechanische effecten niet meer dominant zijn. De supergeleidende nanodraad neemt dan alleen bepaalde energietoestanden aan die gebruikt kunnen worden om informatie te coderen. In de hogetemperatuursupergeleiders konden de onderzoekers ook voor het eerst de absorptie van een enkel foton waarnemen, een lichtdeeltje dat dient om informatie over te dragen.
"Enerzijds kunnen onze resultaten bijdragen aan het gebruik van aanzienlijk vereenvoudigde koeltechnologie in kwantumtechnologieën in de toekomst, en anderzijds bieden ze ons volledig nieuwe inzichten in de processen die supergeleidende toestanden en hun dynamiek beheersen, processen die nog steeds niet volledig begrepen worden", benadrukt onderzoeksleider Jun. Prof. Carsten Schuck van het Instituut voor Fysica aan de Universiteit van Münster. De resultaten kunnen daarom relevant zijn voor de ontwikkeling van nieuwe soorten computertechnologie. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
De wetenschappers gebruikten supergeleiders gemaakt van de elementen yttrium, barium, koperoxide en zuurstof, ofwel YBCO, waarmee ze enkele nanometerdunne draadjes fabriceerden. Wanneer deze structuren elektrische stroom geleiden, treden er fysische dynamieken op die 'faseverschuivingen' worden genoemd. In het geval van YBCO-nanodraden veroorzaken fluctuaties in de ladingsdragerdichtheid variaties in de superstroom. De onderzoekers bestudeerden de processen in de nanodraden bij temperaturen onder de 20 Kelvin, wat overeenkomt met -253 graden Celsius. In combinatie met modelberekeningen toonden ze een kwantisering van energietoestanden in de nanodraden aan. De temperatuur waarbij de draden de kwantumtoestand bereikten, bleek 12 tot 13 Kelvin te zijn – een temperatuur die honderden keren hoger ligt dan de temperatuur die nodig is voor de normaal gebruikte materialen. Dit stelde de wetenschappers in staat om resonatoren te produceren, oftewel oscillerende systemen die zijn afgestemd op specifieke frequenties, met een veel langere levensduur en om de kwantummechanische toestanden langer te behouden. Dit is een voorwaarde voor de ontwikkeling op lange termijn van steeds grotere kwantumcomputers.
Andere belangrijke componenten voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën, maar mogelijk ook voor medische diagnostiek, zijn detectoren die zelfs individuele fotonen kunnen registreren. De onderzoeksgroep van Carsten Schuck aan de Universiteit van Münster werkt al enkele jaren aan de ontwikkeling van dergelijke detectoren voor individuele fotonen op basis van supergeleiders. Wat bij lage temperaturen al goed werkt, proberen wetenschappers wereldwijd al meer dan tien jaar te bereiken met hogetemperatuursupergeleiders. In de voor het onderzoek gebruikte YBCO-nanodraden is deze poging nu voor het eerst geslaagd. "Onze nieuwe bevindingen effenen de weg voor nieuwe, experimenteel verifieerbare theoretische beschrijvingen en technologische ontwikkelingen", aldus co-auteur Martin Wolff van de onderzoeksgroep van Schuck.
U kunt erop vertrouwen dat onze redactie alle ontvangen feedback nauwlettend in de gaten houdt en passende maatregelen neemt. Uw mening is belangrijk voor ons.
Uw e-mailadres wordt alleen gebruikt om de ontvanger te laten weten wie de e-mail heeft verzonden. Noch uw adres, noch het adres van de ontvanger wordt voor andere doeleinden gebruikt. De informatie die u invoert, verschijnt in uw e-mailbericht en wordt door Phys.org op geen enkele wijze bewaard.
Ontvang wekelijkse en/of dagelijkse updates in je inbox. Je kunt je op elk moment afmelden en we zullen je gegevens nooit met derden delen.
Deze website gebruikt cookies om de navigatie te vergemakkelijken, uw gebruik van onze diensten te analyseren en content van derden te leveren. Door onze website te gebruiken, erkent u dat u ons privacybeleid en onze gebruiksvoorwaarden hebt gelezen en begrepen.
Geplaatst op: 7 april 2020