Een polymeer belooft qubits bij kamertemperatuur
Wat als de toekomst van kwantumcomputers niet afhangt van de ijzige kou van een verdunningskoelkast, maar van een eenvoudige plastic folie op een circuit? Een Amerikaans-Australisch team heeft zojuist een van de meest diepgewortelde dogma’s van de toegepaste kwantumfysica op losse schroeven gezet: de noodzaak van extreme kou.
Hun ontdekking bestaat uit een geconjugeerd polymeer, met andere woorden een lange keten van geleidende moleculen, die in staat is om kwantumcoherentie bij kamertemperatuur te behouden. Een kleine revolutie op het gebied van kwantummaterialen, gepubliceerd in Advanced Materials.
Plastic om kwantumcomputers te koelen?
Sinds het begin van de kwantumcomputers wordt het als een onvermijdelijkheid beschouwd dat qubits (kwantumbits die tegelijkertijd 0 en 1 kunnen zijn) alleen onder extreme omstandigheden kunnen overleven: -273 °C, gecontroleerd magnetisch veld, perfecte isolatie.
Zelfs diamanten, die toch kampioen zijn in kwantumstabiliteit bij kamertemperatuur, moeten vaak worden gedoteerd, gezuiverd, geslepen en in zeer specifieke omgevingen worden geplaatst. Kortom, niet echt praktisch voor grootschalig gebruik.
Het nieuwe polymeer dat is ontwikkeld door het Georgia Institute of Technology en de Universiteit van Alabama biedt een onverwachte shortcut: een organisch, flexibel, aanpasbaar materiaal dat zich toch kan gedragen als een stabiele qubit in de open lucht.
Fijne chemie, goed uitgelijnde spins
De onderzoekers hebben een moleculaire keten ontworpen op basis van twee complementaire chemische bouwstenen: een donor (dithienosilol) en een acceptor (thiadiazoloquinoxaline). Deze blokken zorgen ervoor dat de vrije elektronen, die kwantumspin dragen, zonder al te veel beweging kunnen circuleren.
Er werd een siliciumatom in de donoreenheid ingebracht om een torsie in de keten te induceren. Deze torsie voorkomt dat de polymeren te dicht op elkaar worden gestapeld, wat destructieve interacties tussen spins zou veroorzaken. Beter nog: aan de rand werden lange koolwaterstofketens toegevoegd om klontering te voorkomen, de oplosbaarheid te vergemakkelijken en de elektronische coherentie te behouden.
Dit moleculaire vakmanschap levert een verwerkbaar, bedrukbaar en vooral kwantumpolymeer op.
Van het laboratorium naar de printplaat
Dit polymeer functioneert als een p-type halfgeleider, wordt in dunne films aangebracht en is bestand tegen herhaaldelijk gebruik zonder te degraderen. We kunnen ons dus voorstellen dat het wordt geïntegreerd in klassieke elektronische apparaten, waardoor traditionele componenten een kwantumlaag krijgen.
Beter nog: lading en spin bestaan naast elkaar in hetzelfde molecuul, wat de weg vrijmaakt voor hybride apparaten die zowel informatie kunnen verwerken als opslaan in kwantumvorm.
Beloften, beperkingen en veel hoop
Het is nog niet helemaal rond. De coherentietijden blijven te kort voor grootschalige kwantumcomputers, ook al lijkt het gebruik in sensoren, lokale kwantumgeheugens of spintronica-apparaten al haalbaar.
De onderzoekers zijn nu van plan om de structuur te optimaliseren, andere donor/acceptorparen te testen en circuitarchitecturen te onderzoeken waarin deze polymeren kunnen worden gecombineerd met klassieke transistors.
Een miljardenmarkt in het vizier van Amerikanen en Australiërs
Het vooruitzicht van qubits die bij kamertemperatuur werken, is niet alleen een wetenschappelijke prestatie, maar ook een krachtig signaal naar de hele industrie. Volgens schattingen van McKinsey zou de wereldwijde kwantummarkt (informatica + sensoren + communicatie) namelijk tussen 70 en 173 miljard dollar (ofwel tussen 59 en 147 miljard euro) kunnen bedragen.
Door zich te ontdoen van cryogene beperkingen, maken deze polymeren de weg vrij voor een radicale miniaturisering van architecturen, integratie in draagbare apparaten en een democratisering van kwantumtoepassingen buiten de grote rekencentra. Cloud computing, financiën, cyberbeveiliging, moleculaire modellering, kunstmatige intelligentie… zoveel sectoren die op hun kop kunnen worden gezet zodra kwantumcomponenten even gemakkelijk te hanteren zijn als traditionele CMOS-circuits. In dit stadium hebben we het niet langer alleen over fundamentele wetenschap, maar over wereldwijde industriële concurrentie.
