Je kunt een quantumprocessor maken met dezelfde technologie waarmee de bouwstenen van gewone computers worden geproduceerd. Dat hebben Delftse onderzoekers aangetoond.
De wetenschappers bouwden een raster van vier controleerbare qubits die onderling gekoppeld zijn en samen functioneren als een quantumprocessor. Vier qubits maken nog geen quantumcomputer, maar het onderzoek laat zien dat opschalen mogelijk is.
Moeilijk op te schalen
De belofte van quantumcomputers is groot omdat ze radicaal anders rekenen dan de huidige computers. Ze gebruiken geen bits, die 0 of 1 zijn, maar qubits, die ook een combinatie van 1 en 0 kunnen zijn. Hierdoor kunnen de quantummachines bepaalde berekenen gelijktijdig uitvoeren. En daardoor zijn problemen die buiten het bereik van de huidige computers liggen, ineens oplosbaar.
Maar een quantumcomputer bouwen is niet eenvoudig. De verschillende qubits die momenteel ontwikkeld worden, lopen tegen hindernissen aan. Zo blijkt opschalen lastig. Het lukt nog niet om veel meer dan enkele tientallen qubits samen te laten functioneren.
‘Voor een quantumcomputer heb je er veel meer nodig; miljoenen of miljarden’, zegt Menno Veldhorst van onderzoeksinstituut QuTech in Delft. ‘Daarom kijken wij naar een methode waarvan we weten dat ze schaalbaar is: halfgeleidertechnologie.’
Gaten als qubits
De halfgeleiderindustrie produceert al decennialang enorme aantallen transistors, de bouwstenen voor gewone computers. ‘Wij maken met dezelfde technologie quantumdot-qubits’, vertelt Veldhorst. De Delftse quantumdots zijn enkele tientallen nanometers (een miljoenste millimeter) groot en bestaan uit laagjes van silicium en germanium.
Quantumdots zijn meestal een soort doosjes waarin een enkel elektron opgesloten kan worden. De quantumeigenschappen van dat elektron zijn dan te gebruiken als qubit. De onderzoeksgroep van Veldhorst pakt het iets anders aan. Ze gebruiken geen elektronen, maar ‘gaten’. Die markeren de afwezigheid van een elektron in het materiaal.
Vier qubits in een raster
De eerste quantumdot van germanium (met ‘gaten’) werd in 2019 gemaakt. Ruim een jaar geleden toonden de Delftse onderzoekers aan dat deze qubits geschikt zijn om quantumberekeningen mee uit te voeren. Destijds demonstreerden ze dat met twee qubits. Nu is dat aantal verdubbeld naar vier.
Vier quantumdots klinkt niet erg indrukwekkend als je weet dat er op een enkele computerchip miljarden transistors zitten. Toch is het resultaat een mijlpaal. Het toont dat het mogelijke is om vier qubits fysiek zo nauwkeurig bij elkaar te plaatsen dat ze kunnen wisselwerken. Het is voor het eerst dat dit lukt met meer dan twee quantumdotqubits.
‘Belangrijke prestatie’
Er bestaan nu al quantumprocessors met vijftig of meer qubits. Maar die werken met supergeleidende qubits. Voor halfgeleiderqubits, zoals de quantumdots, zijn de vooruitzichten voor verdere opschaling, naar nog veel grotere aantallen, beter.
‘De onderzoekers leveren een belangrijke prestatie’, mailt Guido Burkard, hoogleraar aan de Universiteit van Konstanz in Duitsland en niet betrokken bij het onderzoek. ‘De schaalvergroting van twee naar vier qubits is bescheiden, maar wat belangrijk is, is dat de Delftse groep een kleine tweedimensionale rangschikking van qubits heeft bereikt. Dit is precies wat je nodig hebt voor een quantumprocessorchip op grotere schaal.’
Volgende mijlpaal
‘Door ze in een twee bij twee raster te plaatsen, hebben we gedemonstreerd dat we de qubits in twee richtingen – horizontaal en verticaal – kunnen controleren en aan andere qubits kunnen koppelen’, legt Veldhorst uit. ‘Dat is belangrijk, omdat alle algoritmes die je op toekomstige quantumcomputers zou willen laten draaien, dergelijke qubitkoppelingen in twee richtingen vereisen.’
Het raster met vier quantumdots is dus een belangrijke stap op weg naar grotere rasters voor toekomstige quantumcomputers. Om zover te komen, moeten er nog enkele belangrijke stappen gezet worden. Nu heeft elke qubit bijvoorbeeld zijn eigen lijn voor de aansturing. Dat loopt uit de hand als je gaat opschalen. ‘Voor grotere systemen is het noodzakelijk dat je minder lijnen hebt dan qubits’, zegt Veldhorst. ‘Als dat lukt, hebben we de volgende belangrijke mijlpaal bereikt.’
