Onderzoekers van QuTech, de TU Delft en TNO hebben een chip ontwikkeld om qubits en besturingselektronica te integreren. Hun resultaten hebben ze afgelopen week gepresenteerd op een conferentie in San Francisco.
De quantumcomputer wordt gezien als de oplossing voor bepaalde vraagstukken die van een gewone computer zoveel rekenkracht vereisen dat deze jarenlang zou moeten draaien om het antwoord te vinden. Dankzij een processor die werkt volgens het principe van de quantummechanica, kunnen dit soort computers die vraagstukken in afzienbare tijd oplossen.
‘Een vraagstuk waarvoor de quantumcomputer goed kan worden gebruikt, is voor het simuleren van het gedrag van moleculen, bijvoorbeeld als je wilt weten hoe een medicijn zal werken. Met een conventionele computer neemt de berekeningstijd exponentieel toe, waardoor grote systemen niet kunnen worden gesimuleerd. Met de quantumcomputer is dit wel mogelijk,’ zegt Fabio Sebastiano, teamleider van het project.
Rondom het absolute nulpunt
Het concept van de quantumcomputer is al in de jaren 80 beschreven, maar het maken van een goedwerkende quantumcomputer is nog steeds een grote uitdaging. Qubits, de dragers van de quantuminformatie en daarmee de belangrijkste bouwstenen van de quantumcomputer, zijn bij kamertemperatuur namelijk instabiel. Daardoor vervalt de informatie snel, wat ze onbruikbaar maakt.
Pas als de qubits in temperaturen rond het absolute nulpunt liggen, is hun stabiliteit hoog genoeg om ze te gebruiken. Daarom worden de qubits opgeslagen in speciale vriezers die temperaturen hebben tot 0,01 kelvin. Door de beperkingen van de opstelling moet op het moment iedere qubit individueel worden verbonden met de conventionele besturingselektronica die bij kamertemperatuur werkt.
Met dit huidige ontwerp is het lastig om een grootschalige quantumcomputer te ontwerpen. 'Je kunt het vergelijken met een 12-megapixelcamera van je mobiele telefoon. Het is onmogelijk om iedere pixel individueel aan te sluiten op de besturingselektronica,' vertelt Sebastiano.
De oplossing zou zijn een geïntegreerd systeem te maken waarbij alles op één chip zit: iets wat nog niet is gelukt. Maar de onderzoekers komen een stapje dichterbij met de Horse Ridge, een chip met besturingselektronica die kan functioneren bij 3 kelvin (-270 graden Celsius). Ze hebben gebruikgemaakt van de halfgeleidertechniek Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS), een standaardtechniek voor microprocessoren. Deze techniek laat zich uitstekend lenen om een complexe schakeling te maken met miljarden componenten
De truc van de onderzoekers is het ontwerp van de chip zo aan te passen dat deze werkt bij 3 kelvin: ‘De onderdelen van de chip, de transistoren, gedragen zich anders bij deze lage temperaturen. Daarom hebben we het ontwerp van de chip moeten aanpassen, zodat de chip juist bij die lage temperatuur functioneert.'
De eerste aansturing
In het lab is het de onderzoekers al gelukt de Horse Ridge in actie te zien. De chip is gemaakt om 128 qubits aan te sturen. ‘Dit is de meest complexe cryo-CMOS-chip ooit gepresenteerd, en bovendien de eerste die een spin-qubit kan aansturen’, aldus Sebastiano. De spin-qubit waarbij de quantuminformatie in de qubit ligt opgeslagen in de spin van een elektron.
Maar hiermee zijn de onderzoekers nog niet klaar. Ze willen het temperatuurverschil tussen de qubit en de besturingselektronica zo ver verkleinen dat ze bijvoorbeeld samen in hetzelfde pakket of op dezelfde chip kunnen functioneren. De beperkende factor is de warmte die wordt gegenereerd door de besturingselektronica. In theorie kan de huidige chip werken bij een temperatuur lager dan 1 kelvin, alleen is er dan slechts een paar milliwatt beschikbaar voor de elektronica: te weinig om de chip te laten functioneren. Om tot een oplossing te komen zullen de qubits en de besturingselektronica elkaar ergens in het midden moeten ontmoeten.
Quantumcomputer
Qubits zijn de tegenhanger van de bit, waar een reguliere computer mee wordt aangestuurd. Een bit is ofwel 1 ofwel 0. Dus voor twee bits zijn er vier verschillende mogelijkheden (11, 00, 10, 01) die alle vier los zouden moeten worden berekend. Qubits hebben echter het quantummechanische gedrag dat ze in superpositie kunnen zijn: ze kunnen 1 en 0 tegelijk zijn. Een gevolg hiervan is dat een systeem van twee qubits slechts één keer hoeft te worden berekend om alle mogelijkheden langs te gaan. Als dit wordt uitgebreid naar grotere systemen, dan versnelt het quantum-systeem exponentieel ten opzichte van het bit-systeem, de zogeheten exponential speed-up.
Een van de meest veelbelovende manieren om een qubit te maken is het gebruiken van de spin van een elektron. Dit elementaire deeltje kan in superpositie zijn, zowel 1 (spin up) en 0 (spin down), en bevat daarmee een belangrijke quantummechanische eigenschap. In dit geval wordt de spin gebruikt om de kwantumtoestand te dragen, de spin-qubit. Andere qubits zijn bijvoorbeeld gebaseerd op ionen of supergeleiding.
Het grote probleem van de superpositie-eigenschap is echter, dat deze alleen in stand blijft zolang het deeltje niet is bekeken. Dit is te illustreren met het aloude gedachte-experiment Schrödingers kat. In het kort: als je een kat onder erbarmelijke omstandigheden in een doos opsluit, is de toestand van de kat onbekend. Hij is zowel dood als levend, superpositie. Maar op het moment dat we de doos openen om te kijken hoe het echt met de kat gaat, dan vervalt de superpositie en is de kat ofwel dood, ofwel levend. Dus zodra de qubit interacteert met zijn omgeving, vervalt de superpositie. Warmte kan een elektron in een aangeslagen toestand brengen en daarmee de eigenschappen van de qubit aantasten. Het is de reden waarom de qubits alleen bij hele lage temperaturen van rondom het absolute nulpunt in tact blijven.
Foto: QuTech
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.