Halfgeleider qubits schalen in twee dimensies

wo, 24/03/2021 - 17:22

Door: Redactie WINMAG Pro

Het hart van elke computer, de processor, wordt gemaakt met halfgeleidertechnologie die miljarden transistoren op een enkele chip kan aanbrengen. Onderzoekers van de groep van Menno Veldhorst in QuTech, een samenwerking van TU Delft en TNO, hebben nu aangetoond dat diezelfde technologie volstaat om een tweedimensionale array van qubits te vervaardigen die gezamenlijk als quantumprocessor opereren. Hun onderzoek, een cruciale mijlpaal voor schaalbare quantumtechnologie, is in Nature gepubliceerd.

Quantumcomputers kunnen mogelijk problemen oplossen waarvoor klassieke computers tekortschieten. Waar huidige quantumapparaten over tientallen qubits beschikken – de bouwsteen van alle quantumtechnologie – zal een toekomstige quantumcomputer zeer waarschijnlijk uit miljoenen tot miljarden qubits bestaan. Omdat ze met standaard halfgeleidertechnologie kunnen worden gedefinieerd, dragen quantum dot qubits de belofte van schaalbaarheid met zich mee. Veldhorst: ‘Door vier van zulke qubits in een twee-bij-twee raster te plaatsen, aan te tonen dat we hier universele controle over hebben, en berekeningen in te voeren die alle qubits met elkaar verstrengelen, hebben we een belangrijke stap gezet richting schaalbare quantumberekeningen.’

Een volledige quantumprocessor

Er wordt al meer dan twee decennia onderzoek gedaan naar elektronen opgesloten in quantum dots – halfgeleider structuren van enkele tientallen nanometers groot – als platform voor quantuminformatie. Ondanks alle beloften is twee-qubit logica hiermee tot nu toe het hoogst haalbare gebleken. Om tot een doorbraak te komen besloten de groepen van Menno Veldhorst en Giordano Scappucci tot een geheel andere aanpak, waarbij ze gebruik maken van gaten (d.w.z. afwezige elektronen) in germanium. De elektrodes voor het definiëren van de qubits konden door deze aanpak ook gebruikt worden om ze te controleren en te verstrengelen. ‘Omdat we geen grote structuren aan iedere qubit hoeven toe te voegen zijn onze qubits vrijwel identiek aan de transistoren in een computerchip,’ zegt Nico Hendrickx, promovendus in de groep van Menno Veldhorst en eerste auteur van het artikel. ‘We hebben bovendien uitstekende controle over de qubits en kunnen ze aan elkaar koppelen om zo een, twee, drie en vier-qubit logische poorten te programmeren. Dit is veelbelovend met het oog op zeer efficiënte quantumberekeningen.’

2D is de sleutel

Nadat ze in 2019 de eerste germanium quantum dot qubit vervaardigden, is het aantal qubits op hun chips elk jaar verdubbeld. ‘Met vier qubits heb je natuurlijk nog lang geen quantumcomputer,’ zegt Veldhorst. ‘Maar door de qubits in een twee-bij-twee raster te plaatsen weten we nu hoe we ze in verschillende richtingen kunnen controleren en koppelen.’ Elke realistische architectuur voor het integreren van grote aantallen qubits gaat ervan uit dat ze in twee dimensies onderling met elkaar verbonden zijn.

Germanium als zeer veelzijdig platform

De nu gedemonstreerde vier-qubit logica in germanium is de state-of-the-art wat betreft quantum dot technologie en een belangrijke stap richting grote, dicht-opeengepakte tweedimensionale rasters van halfgeleider qubits. Germanium is niet alleen compatibel met geavanceerde halfgeleider fabricage technologie, maar het is ook een zeer veelzijdig materiaal. Het heeft fascinerende natuurkundige eigenschappen zoals spin-baan-koppeling en het kan goede verbindingen aangaan met andere materialen, waaronder supergeleiders. Germanium is daarom een uitstekend platform voor verschillende quantumtechnologische toepassingen. Veldhorst: ‘Nu we germanium kunnen vervaardigen en de eerste quantum processors hebben gerealiseerd, kunnen we echt op weg naar het maken van veelzijdige germanium quantumtechnologie.’