En weer is een horde genomen op de weg naar een werkende, grootschalige quantumcomputer. Onderzoekers van Qutech, een samenwerking van de TU Delft en TNO, zijn erin geslaagd een geïntegreerd circuit te ontwerpen dat bij extreem lage temperaturen werkt en qubits aan kan sturen. Dat maakt de weg vrij voor de integratie van qubits, de bouwstenen van een quantumcomputer, en hun besturingselektronica op één chip.
Fabio Sebastiano, teamleider van Qutech en assistent-professor aan de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica van de TU Delft, meent dat een grootschalige quantumcomputer problemen op kan lossen die zelfs voor de krachtigste supercomputers te complex zijn. ‘Oplossingen voor die problemen kunnen een grote impact hebben op het dagelijks leven, bijvoorbeeld in de geneeskunde of de energiesector.’
Elektroncia die werkt bij extreem lage temperatuur
Kern van de ontdekking is dat quantuminformatie opgeslagen in qubits snel kan vervallen en onbruikbaar worden, tenzij de qubits worden afgekoeld tot temperaturen rond het absolute nulpunt (-273 graden Celsius, of 0 Kelvin). Om deze reden werken qubits meestal in speciale koelkasten bij temperaturen tot 0,01 Kelvin. De qubits staan echter onder controle van conventionele elektronica die bij kamertemperatuur werkt.
Sebastiano legt uit dat er op dit moment per qubit één draad nodig om deze te verbinden met de besturingselektronica. Dit is te doen voor het kleine aantal qubits dat nu in gebruik is, maar onpraktisch voor de miljoenen qubits die nodig zijn voor quantumcomputers. ‘Het is alsof je een foto neemt met de 12-megapixelcamera van je mobiele telefoon, en vervolgens probeert om elk van de miljoen pixels afzonderlijk aan te sluiten op een aparte elektronisch circuit’, zegt Sebastiano.
De oplossing is het ontwerpen van elektronica die werkt bij extreem lage (cyrogene) temperaturen, zodat ze zo dicht mogelijk bij de qubits zijn te plaatsen.
Horse Ridge
Qutech werkte samen met Intel om deze uitdaging aan te gaan. Het resultaat heet Horse Ridge, een geïntegreerd circuit vernoemd naar één van de koudste plekken in de Amerikaanse staat Oregon. Sebastiano en zijn team hebben een cmos (complementary metal oxide semiconductor)-geïntegreerd circuit ontworpen en gefabriceerd dat tot 128 qubits kan aansturen. Omdat het circuit bij 3 K (-270 °C) kan werken, heet het een cryo-cmos-circuit.
Een experiment toonde de goede werking van het geïntegreerde circuit aan en liet zien dat Horse Ridge een echte spin qubit aan kan sturen. ‘Spin qubits behoren tot de veelbelovende qubit-kandidaten voor een grootschalige quantumcomputer’, zegt Sebastiano. ‘Dit is het meest complexe cryo-cmos-circuit ooit gepresenteerd, en bovendien de eerste die een spin qubit kan aansturen.’
Overbruggen
De volgende uitdaging is het dichten van het resterende temperatuurverschil. Nog een keer naar de teamleider: ‘Spin-qubits zullen naar verwachting kunnen functioneren bij iets hogere temperaturen dan nu, boven de 1,5 K. Ons cryo-cmos-circuit werkt nu bij 3 K. Als we dit temperatuurverschil overbruggen, zijn qubits en hun besturingselektronica in hetzelfde pakket of op dezelfde chip te integreren, wat een uiterst compact systeem oplevert.’
Het onderzoeksteam presenteerde de resultaten tijdens de International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), in San Francisco.
