Als computers te veel opwarmen, kunnen ze stoppen met functioneren. Een nieuw type quantumcomputer, gemaakt van bewerkte diamanten, kan zichzelf afkoelen door berekeningen uit te voeren.

Quantumcomputers die zijn gemaakt van bewerkte diamanten kunnen zichzelf tegen oververhitting beschermen. Dat doen ze door een bepaald algoritme uit te voeren. Nu moeten de meeste quantumcomputers nog op lage temperaturen worden bewaard. Met deze ‘algoritmische koeling’ zouden ze in de toekomst ook kunnen functioneren bij kamertemperatuur.

Net als gewone computers worden quantumcomputers trager als ze opwarmen. Als ze te heet worden, kunnen ze zelfs stoppen met functioneren. Gewone computers worden meestal gekoeld door ventilatoren. Quantumcomputers vereisen echter over het algemeen veel meer koeling dan ventilatoren kunnen bieden.

Wetenschapsjournalisten zijn niet simpelweg een bron van ruis
LEES OOK
Wetenschapsjournalisten zijn niet simpelweg een bron van ruis

Koelkastnormen

Natuurkundige Eric Lutz en zijn collega’s van de Universiteit van Stuttgart bouwden daarom een kleine, op diamant gebaseerde quantumcomputer die zichzelf afkoelt door een reeks wiskundige bewerkingen uit te voeren. Hun computer bestaat uit drie qubits, of quantumbits, geplaatst in een diamant waarin twee koolstofatomen ontbreken. De onderzoekers vervingen een van deze atomen door een stikstofatoom. De plek van het andere atoom bleef leeg.

Om de qubits aan te sturen, bestookten de onderzoekers ze met microgolven. Hierdoor verandert de spin – een eigenschap van deeltjes die je kunt zien als hun draaiing – van ofwel de kern van het stikstofatoom, ofwel de kernen van twee koolstofatomen die zich dicht bij de lege plek bevinden. Deze manipulaties fungeren als logische poorten, de basisbouwstenen van de berekeningen die de computer uitvoert. Ze veranderen de quantumtoestand van een qubit. Elke quantumtoestand heeft een specifieke hoeveelheid energie, zodat met een reeks poorten de energie van de computer kan worden veranderd. Daardoor koelt hij af.

De onderzoekers ontdekten dat hun algoritmische koeling de theoretische limiet van maximale koelingsefficiëntie zeer dicht benadert. ‘We hebben de prestaties van een algoritme getest en geëvalueerd, maar dan volgens de normen van een koelkast’, zegt teamlid Rodolfo Soldati. Met andere woorden: in plaats van te beoordelen hoe succesvol het algoritme was bij het verwerken van informatie, werd het beoordeeld op basis van hoe goed het de energie van de computer verlaagde.

Praktisch voordeel

Quantumfysicus Luis Correa van de Universiteit van Exeter in het Verenigd Koninkrijk noemt het belangrijk dat de onderzoekers naast hun succesvolle experiment ook een theoretisch model voor hun computer hebben ontwikkeld. Dat is nodig, omdat zelfs schijnbaar eenvoudige ideeën zoals de definitie van temperatuur op quantumniveau anders kunnen zijn. ‘We kunnen wel praten over grootheden als temperatuur en efficiëntie, maar we moeten ervoor zorgen dat ze ook echt zinvol zijn voor het systeem dat we hebben’, zegt hij.

Lutz zegt dat de wiskundige analyse van zijn team aanzienlijk uitgebreider en gedetailleerder is dan eerdere theorieën rond soortgelijke experimenten. Teamlid Durga Dasari zegt dat bij veel ontwerpen van quantumcomputers, zoals die met supergeleidende circuits, de hele machine vanaf het begin in een koelkast moet worden bewaard. Beginnen met qubits op kamertemperatuur en deze laten afkoelen door een algoritme is dus een praktisch voordeel van op diamant gebaseerde quantumcomputers, zegt hij.

Dit type quantumcomputer kan veel van dezelfde berekeningen uitvoeren als andere quantumcomputers. De volgende stap van de onderzoekers is hun algoritmisch gekoelde computer groter maken, zodat die complexere berekeningen kan uitvoeren.