Kwantumcomputers mogen dan veel efficiënter berekeningen kunnen maken dan gewone computers, je hebt nog steeds veel kwantumbits (qubits) nodig die samenwerken op een kwantumchip. Tot nu toe bestaan kwantumcomputers nog uit enkele tientallen qubits die maar beperkt aantal berekeningen kunnen uitvoeren. Voordat we een serieuze kwantumcomputer hebben is opschalen belangrijk.

Vierbits quantumprocessor
Door een aantal zaken anders aan te pakken hebben onderzoekers van QuTech (een samenwerkingsverband tussen de TU Delft en TNO) een schaalbare qubit-technologie ontwikkeld waarbij ze gebruik maken van standaard halfgeleidertechnologie. Dat werkte zo goed dat ze binnen twee jaar na de eerste experimenten vier qubits in een 2x2 raster aan elkaar konden koppelen - een vier-qubit kwantumprocessor dus. Het onderzoek staat deze week in wetenschappelijk tijdschrift Nature.
Menno Veldhorst die het onderzoek bij QuTech leidde zegt: 'De technologie die wij gebruiken om de qubits te maken is dezelfde technologie die gebruikt wordt om miljarden transistoren te maken. De gedachte is dat grote chipfabrikanten qubits kunnen gaan maken met dezelfde materialen en technieken waarmee ze nu de gewone computer maken.'

Qubits van gaten
Die technologie klinkt simpel: de onderzoekers beginnen met een transistor, een stukje halfgeleider waar heel veel elektronen doorheen stromen. Door steeds minder elektronen te laten stromen blijft er uiteindelijk maar één over, opgesloten in een kwantumdot, het doosje waarin de qubit zit.
De onderzoekers maakten een aantal bijzondere keuzes op weg naar hun nieuwe qubit-technologie. Allereerst gebruikten ze niet silicium - het standaardmateriaal voor transistoren - maar het broertje germanium als halfgeleidermateriaal voor de qubits. Dat leidde meteen tot het tweede grote verschil: de qubits van germanium zijn geen elektronen maar gaten. Die hebben ook een spin, de eigenschap die de qubit een waarde één of nul geeft, maar gaten zijn positief geladen in plaats van negatief zoals elektronen. Het blijkt dat gaten uitstekende eigenschappen hebben om gebruikt te worden als qubit.

Ordelijk germanium
Veldhorst licht de keuze voor het materiaal toe: 'Germanium heeft een aantal goede eigenschappen. De eerste is dat gaten in germanium een sterke spin-baan-koppeling hebben. Door dit kwantummechanische effect is de spin van een gat gekoppeld aan zijn beweging. We kunnen deze beïnvloeden door elektrische spanningen en daardoor heel efficient kwantumberekeningen uitvoeren. Normaal gesproken heb je extra structuren nodig om de qubit te bedienen, maar in dit geval kan dezelfde transistor die het gat 'vangt' ook de operatie doen. Ten tweede is de wanorde in germanium heel laag. Dat levert goed gedefinieerde kwantumbits. Ze zitten precies waar je ze wil hebben.'
Deze eigenschappen geven de onderzoekers de mogelijkheid om niet twee maar vier qubits te maken en die in een raster van 2x2 te zetten. Daardoor kun je ze alle vier aan elkaar koppelen, legt Veldhorst uit. 'We hebben een circuit gemaakt dat alle vier de qubits verstrengelt. Daarmee hebben we dus een vier-qubit logische schakeling gemaakt. Daarna hebben we ze weer ontkoppeld. Dat laat zien dat we controle over de qubits hebben.'
Een groter raster zoals een grid van 3x3 is een volgende belangrijke uitdaging, zegt Veldhorst. 'In zo’n structuur zijn er altijd qubits die niet aan de rand zitten en waar je dus moeilijker bij komt. De volgende stap is om dat probleem op te lossen en gelukkig hebben we daar al goede ideeën voor.'

Dit artikel is gepubliceerd in De Ingenieur, april 2021.
Bastienne Wentzel schreef gedurende maart en april 2021 meerdere nieuwsberichten voor De Ingenieur. Deze zijn allen gepubliceerd op de website deingenieur.nl