QuTech, een samenwerkingsverband van de TU Delft en TNO, heeft gisteren samen met Intel een doorbraak bekendgemaakt op het gebied van kwantumcomputers in het blad Nature. Ze deden dat tegelijk met een team onder leiding van onderzoekers van de University of New South Wales in Australië, ook in Nature.
De meeste kwantumcomputers die wereldwijd worden ontwikkeld, werken met zogeheten qubits die alleen functioneren bij temperaturen vlakbij het absolute nulpunt van -273 graden Celsius. Dat vereist een ongelofelijk kostbare koeling en zodra ze worden aangesloten op conventionele elektronische circuits, raken ze bovendien onmiddellijk oververhit. De doorbraak van QuTech en het Australische team is dat ze qubits in silicium hebben ontwikkeld, die kunnen worden aangestuurd bij een iets hogere temperatuur van 1,1 Kelvin.
Volgens een persbericht van de TU Delft is het een cruciale sprong richting een werkende kwantumcomputer. De hogere temperatuur opent namelijk de mogelijkheid om qubits – de essentiële bouwstenen van een toekomstige kwantumcomputer – en de aansturende elektronica te integreren op één standaard chip. ‘Dit is de eerste keer dat we qubits kunnen presenteren die “hot, dense and coherent” zijn’, vertelt hoofdonderzoeker Menno Veldhorst. ‘We hebben het dus over qubits die compact zijn en met een hoge kwaliteit functioneren bij een relatief hoge temperatuur.’
Een kwantumcomputer (quantumcomputer) is een nieuw soort computer waarbij de processor gebruikmaakt van de principes van de kwantummechanica. Zo’n processor kan in één keer (parallel) dezelfde berekeningen uitvoeren over een zeer grote hoeveelheid data. Deze zal daardoor vele malen sneller zijn dan een conventionele computer maar wel slechts inzetbaar voor zeer specifieke taken.
Eerder maakten we deze explainer over de Quantum Computer:
-273 graden Celsius
Vooral die hogere temperatuur is belangrijk. Quantum-informatie die is opgeslagen in qubits wordt snel onbruikbaar, tenzij de qubits worden afgekoeld tot heel dicht bij het absolute nulpunt (-273 graden Celsius, of 0 Kelvin). Daarom functioneren qubits normaal gesproken in speciale ‘koelkasten’; maar ze worden daarbij nog wel aangestuurd door conventionele elektronica die gewoon op kamertemperatuur werkt.
Deze scheiding van qubits en elektronica geeft problemen bij het opschalen van het aantal qubits. Nu is immers voor iedere qubit een aparte kabel nodig naar de aansturende elektronica. Dat is niet meer haalbaar bij de miljoenen qubits die nodig zijn voor een werkende kwantumcomputer.
Veldhorst: ‘De status van kwantumtechnologie is vergelijkbaar met de klassieke technologie in de jaren ’50 van de vorige eeuw. In die tijd moest elk component aan elkaar gesoldeerd worden en dat werd onuitvoerbaar voor de steeds groter wordende elektrische circuits’.
De oplossing destijds was een geïntegreerd circuit, dat het mogelijk maakte om de componenten op één chip te bouwen. Deze technologie heeft er voor gezorgd dat er nu miljarden transistoren op een chip kunnen zitten. De uitdaging nu is dus om een “quantum integrated circuit” te maken, maar dan moeten de qubits en de aansturende elektronica wel op dezelfde temperatuur kunnen werken.
De gulden middenweg
De uitdaging is dus om een temperatuur te vinden waarbij zowel de qubits als de elektronica functioneren. Onderzoekers proberen enerzijds om de elektronica bij een lagere temperatuur te laten werken en dat gebeurt ook met succes. Een zeer recente ontwikkeling komt bijvoorbeeld van QuTech, dat samen met Intel een chip heeft geproduceerd die qubits kan controleren op lage temperatuur. ‘De andere kant van het verhaal is om de qubits op een wat hógere temperatuur te laten functioneren’, zegt onderzoeker Luca Petit van QuTech. En dat is precies wat de onderzoekers van QuTech hebben bereikt, wederom in samenwerking met Intel.
Petit: ‘Dit is de eerste keer dat we qubits in silicium kunnen controleren op een hogere temperatuur boven een Kelvin… De toename in de temperatuur kan een kleine stap lijken, maar het is een enorme sprong als het gaat om de beschikbare koelingscapaciteit. Bovendien hoeven de qubits bij deze temperaturen niet meer in vacuüm te werken, maar kunnen ze ondergedompeld worden in een vloeistof wat alles veel praktischer maakt.’
Silicium
‘We hebben de standaard productietechnologie en hetzelfde silicium gebruikt als in gewone elektronische apparatuur’, zegt Gertjan Eenink, medeauteur van de Nature-publicatie. ‘Om bij een hogere temperatuur te kunnen werken, hebben we bij alle stappen in het experiment verbeteringen aan moeten brengen. Dit betekent dat we silicium qubits hebben gemaakt die kunnen worden geïsoleerd van ongewenste interacties’.
Luca Petit vervolgt: ‘Om kwantumberekeningen uit te kunnen voeren op 1,1 Kelvin hebben we allerlei bronnen van ruis moeten reduceren en meetprocedures moeten ontwikkelen die temperatuurbestendig zijn. Het was een fantastisch moment toen alles samenviel en we dus voor de eerste keer kwantumoperaties konden uitvoeren met twee silicium qubits op deze temperatuur.’
Volgende stap
Volgens Veldhorst wordt er nu gewerkt richting een systeem met een hogere kwaliteit en meer qubits. ‘Met deze stap naar 1,1 Kelvin is belangrijke winst behaald…. We kunnen nu gaan denken aan de integratie van kwantum en klassieke hardware op één chip om zo een quantum integrated circuit te maken.’ De hoop is dat het quantum integrated circuit leidt tot het kwantuminformatietijdperk, net zoals dat het integrated circuit in de vorige eeuw aan de wieg stond van het huidige informatietijdperk.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
