Op weg naar de kwantumcomputer

Bent u klaar voor spintronics en de revolutionaire kwantumcomputer?

De bestaande elektronica maakt gebruik van slechts een van de fundamentele eigenschappen van een elektron: zijn elektrische lading. Alle elektronen hebben dezelfde lading. Om de huidige ladingselektronica te doen werken, moeten de elektronen dus bewegen opdat er iets zou veranderen en opdat er gegevens opgeslagen en bewerkt kunnen worden. De verplaatste elektronen zijn vaak niet erg geneigd om op hun plaats te blijven, zodat het moeilijk is om die veranderingen permanent te maken en om ze te gebruiken om de gegevens op te slaan.

Elektronen hebben echter nog een andere inherente eigenschap: hun kwantumspin. In tegenstelling tot de lading, kan die draaiing wel veranderen zonder dat een elektron van plaats verandert. Ze kan van de ene richting naar de andere draaien of gedraaid worden. Eens ze omgedraaid werd, vertoont ze de neiging om in die toestand te blijven, zodat de omkeringen gebruikt kunnen worden om gegevens op te slaan en te manipuleren.

Kwantumspin is datgene wat dingen magnetisch maakt. Spintronics is dus in zekere zin een nieuwe naam voor iets wat we al een heel tijdje kennen. Computers hebben sinds ze werden uitgevonden altijd al gebruikgemaakt van magnetische opslagmedia, van magneetbanden tot harde schijven. Maar die media zijn niet erg verfijnd en vereisen heel wat bewegende delen om ze aan het werk te zetten. Spintronics heeft de bedoeling om komaf te maken met die bewegende delen en ze te vervangen door chips die veeleer steunen op draaiing dan op lading om hun magische toeren uit te halen.

Altijd gegevens opslaan

Een tussenstap is al verschillende jaren gekend. Een fenomeen dat gigantische magnetische resistentie (GMR) genoemd wordt, wordt nu al aangewend om gegevens op harde schijven te lezen. Het toestel dat de data leest, is de spin valve. Het werkt omdat de omschakelingen in de draaiingen van zijn elektronen, die veroorzaakt worden door de magnetisch opgeslagen gegevens op de harde schijf, een gigantisch effect hebben op zijn elektrische weerstand. Die veranderingen in de weerstand worden op hun beurt vertaald in elektrische signalen en naar de rest van de computer gezonden voor verwerking.

GMR heeft al een aanzienlijke verandering teweeggebracht in het computerwerk, maar de toepassing van spintronics die volgens zijn verdedigers de mensen pas echt rechtop zal doen zitten, heet MRAM ( magnetoresistive random access memory). Die combineert de hoge densiteit van de gegevensopslag op DRAM-chips (die het werkend geheugen uitmaken van de bestaande computers) met het vermogen om gegevens op te slaan, zelfs als de computer uit staat (een truc die nu nog dure chips met een beperkte capaciteit, bekend als SRAMS en flash-memories, vereist). Als MRAM de beloften inlost, zal het mettertijd de andere soorten geheugenchips van de kaart vegen en misschien zelfs de harde schijf tegenspel bieden.

Kwantumcomputers

De sponsors van spintronics hopen dat MRAM pas het begin is. Ze zijn van plan om heel wat meer ladingselektronica te vervangen door spintronics. Het volgende doel: de spintronics-equivalenten van de transistor ontwikkelen. Die zouden sneller werken dan degene die steunen op ladingselektronica, omdat de elektronen binnenin niet meer hoeven te bewegen. Ze zouden eventueel ook kleiner gemaakt kunnen worden, omdat ze niet onderhevig zijn aan de elektronische lekkage die de uiterst kleine ladingselektronische apparaten teistert. Transistors zijn de elementen waaruit een computerprocessor is opgebouwd. De komst van spintronic-transistoren zou dus betekenen spintronic-processors: een volledige overname van de ingewanden van de computer door spintronics.

Volgens sommigen is ook dat maar een begin. Mensen met visie zien spintronics al in de kern zitten van de kwantumcomputers. Die apparaten, als ze ooit gebouwd worden, zouden gebruikmaken van de eigenschappen uit de kwantumtheorie om berekeningen uit te voeren die te omvangrijk zijn voor gewone computers. Daarvoor is nieuwe hardware nodig. Kwantumspin, maar dit keer van de atoomkern in plaats van de elektronen, zou de ideale basis vormen voor die hardware. Of dat meer is dan alleen maar een hersenspinsel, valt af te wachten.

De auteur is wetenschappelijk redacteur bij The Economist.

Geoffrey Carr