In minder dan een decennium kan je computer slechts één atoom breed zijn

Het is inmiddels alweer 43 jaar geleden dat Gordon E. Moore zijn bekende voorspelling deed waarin hij de toekomstige vooruitgang van microprocessors beschrijft, maar het ziet er naar uit dat de ontwikkeling van processors tegen een muur aan is gelopen. Die muur bestaat uit twee gekoppelde beperkingen: enerzijds komt het omdat processors uit "dingen" bestaat en omdat ze elektricititeit gebruiken om informatie te verwerken en op te slaan.

Wanneer we het potentieel zien van een enkel elementair deeltje of een paar deeltjes om een bit of een qubit aan informatie vast te leggen, verbleekt de oude technologie een beetje. Het is alsof je een Caravaggio met een grottekening vergelijkt: quantom dots kunnen met hun natuurlijke eigenschappen net zo veel informatie vasthouden als SRAM dat kan, maar de laatste van de twee heeft zes transistors nodig en relatief veel energie. Dat is het probleem wanneer je dingen bouwt om deeltjes vast te houden die zelf niet echt dingen zijn, maar eigenlijk aan de orde der dingen voorbij gaan. Snap je het nog?

Als het gaat om vastleggen van informatie biedt spintronics een oplossing voor het geheugenprobleem van computers, maar de fundamentele raarheid van quantummechanica biedt zo veel meer. In een hypothetische toekomst zullen quantum dots gebruikt worden voor het verplaatsen en opslaan van informatie. Een quantom dot is eigenlijk een kooi die is ontworpen om een paar elektronen vast te zetten (of een elektron-gebaseerd quasideeltje dat een exciton heet.)

In het filmpje hier beneden is die kooi vervangen door een tafel. De twee deeltjes stoten elkaar af en doordat ze gevangen zijn door een zogenaamde dot worden ze in de hoeken van de box geduwd of zitten ze altijd tegenover elkaar aan tafel. Wanneer je een magneet gebruikt is het mogelijk om die deeltjesparen rond te laten vliegen in hun miniscule quantumgevangenissen en ze zelfs te gebruiken om andere gevangen paren die in de buurt zijn te beïnvloeden. Dus, in plaats van dat er informatie met elektriciteit wordt behouden, is het mogelijk om het te behouden met nagenoeg geen energie.

Op de Universtiy of Alberta hebben Robert Wolkom en zijn team verder gekeken dan de traditie om computeronderdelen van dingen te maken. Tot dusver zijn ze er in geslaagd om een quantum dot te maken die slechts één atoom wijd is, waarvoor ze eerder deze maand een patent hebben gekregen in de VS. Maar ze zijn er ook in geslaagd om het scherpste object ter wereld te maken. De punt van een elektronische microscoop die ze hebben vervaardigd is ook slechts één atoom wijd (en is om die reden opgenomen in de Guinness Book of World Records).

In het onderzoek dat deze week is uitgebracht beschrijft het team nieuwe observaties die gemaakt zijn van de oppervlakte-eigenschappen van die enkele siliconenatomen. Ze hebben precieze voltagemetingen gedaan en de elektronische weerstand over iedere silicone "stap" gemeten. Het team beschrijft de technologie allereerst als 'nano,' en ze waren in staat om te meten hoeveel elektronen er potentieel passen op een gegeven siliconen atoom. Die metingen werden voorheen onmogelijk geacht om de simpele reden dat wanneer je iets op quantumschaal meet je het ook meteen veranderd.

"Het blijkt dat de quantum dot zelf de nabijgelegen omgeving verstoort, dus wat we doen is die vertstoring meten," schreef Wolkow in een e-mail aan Motherboard. "Stel jezelf voor dat je onder een trampoline hurkt. Als iemand op de trampoline staat, op precies dezelfde plek waar jij ook staat, zorgt de verzakking die hij of zij veroorzaakt ervoor dat je op je hoofd geraakt wordt. Je zou succesvol iemand hebben gedetecteerd op de trampoline, maar je zou ook de verzakking van de trampoline beperken. Dus je zou de meting in de war gebracht hebben."

"In plaats daarvan kun je van de rand vandaan gaan staan," gaat Wolkow door. "Je kunt meten hoever de trampoline naar beneden gaat - maar ook op minder afstand - en zelfs wanneer je de persoon een beetje raakt zou dat niet direct invloed hebben op hoe ver de persoon in de trampoline zou zakken. Een elektron in een quantum dot deformeert de omgeving op dezelfde manier." Als het gaat om het in en uit krijgen van de deeltjes in de dots, is het een kwestie van het toepassen van verschillende elektronische velden rond de dots.

Je mag deze technologie al gauw in de echte wereld gaan verwachten. Wolkow en zijn team hebben hun eigen commerciële bedrijf, Quantum Silicon Inc. Ze verwachten dat binnen vijf of zes jaar deze concepten hun toepassingen in de 'echte' wereld zullen hebben. Ze hopen eerst dat de technologie iets kan toevoegen aan bestaande circuits die nog steeds afhankelijk zijn van veel stroom, zoals in GPS en satelietapparaten. Maar over tien jaar hoopt QSI dat ze een volledig circuit op atoomschaal hebben dat massaal geproduceerd kan worden. Wolkow is op zijn zachtst gezegd optimistisch: "het heeft het potentieel om de elektronische basis van de wereld volledig te veranderen. Het is een vooruitzicht waar miljarden dollars mee gemoeid zijn."