Argonne vindt oorzaak van wispelturige qubits in Intels siliciumchip

Kwantumcomputers op basis van silicium gelden als veelbelovend omdat ze grotendeels met bestaande chipfabrieken gemaakt kunnen worden. Toch kampt de techniek al jaren met een hardnekkig probleem: sommige qubits werken uitstekend, terwijl andere op dezelfde chip nauwelijks bruikbaar zijn. Onderzoekers van het Argonne National Laboratory (ANL) in de Verenigde Staten denken nu de verklaring te hebben gevonden, na onderzoek aan een industrieel vervaardigde 12-qubit testchip van chipgigant Intel.

Elektronen met een tikkende spin

De qubits in dit soort chips zijn siliciumqubits: ze slaan informatie op in de spin van een los elektron, vergelijkbaar met de richting van een heel klein kompasnaaldje. Om zo'n elektron vast te houden, vangen onderzoekers het in een extreem dun laagje silicium, de zogeheten quantum well. Binnen dat laagje heeft een elektron nog een tweede kwantumeigenschap, de zogeheten valley-toestand. Het energieverschil tussen twee van die toestanden heet valley splitting.

Dat verschil is cruciaal. Is de valley splitting te klein, dan lekt het elektron makkelijk weg naar een ongewenste toestand. Daardoor ontstaan rekenfouten en werkt de qubit minder betrouwbaar. Het probleem is dat valley splitting van chip tot chip, en zelfs van qubit tot qubit binnen dezelfde chip, sterk kan verschillen. Waarom dat zo was, bleef lange tijd onduidelijk.

Op zoek naar de bron van de storing

Om dit uit te zoeken gebruikte het team de Chicago Quantum Computing Testbed, een onderzoeksfaciliteit van het Q-NEXT National Quantum Information Science Research Center. Het is de eerste volledige testomgeving voor vaste-stof-qubits bij een Amerikaans nationaal laboratorium. Met elektrische spectroscopie maten de onderzoekers de valley splitting terwijl ze de positie van een qubit millimeter voor millimeter over de siliciumchip verschoven. Zo ontstond een gedetailleerde kaart van hoe de eigenschap varieert over het materiaal.

Uit de metingen bleek dat willekeurige verschuivingen in de atomaire opbouw van het gelegeerde silicium in de quantum well de belangrijkste oorzaak zijn van de wisselende valley splitting. Met andere woorden: piepkleine, toevallige onregelmatigheden in de kristalstructuur van het materiaal bepalen grotendeels of een qubit goed of slecht presteert.

Belang voor de chipindustrie

Die conclusie is waardevol voor chipfabrikanten. Als bekend is welk deel van het productieproces de wanorde veroorzaakt, kunnen ze gerichter sleutelen aan materialen en fabricagetechnieken. Onderzoeker Jonathan Marcks van Argonne noemt de samenwerking met Intel veelbelovend. "Het is nu al lastig om een paar quantum-dot-qubits te bouwen," zei hij in een verklaring. "Maar met Intel lijkt het vooruitzicht om massa's qubits op een praktisch apparaat te maken ineens een stuk realistischer."

Het onderzoek werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie via het Q-NEXT-programma en is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications. Minder atomaire wanorde zou moeten leiden tot qubits met consistentere prestaties, wat weer de weg vrijmaakt voor kwantumprocessors met veel meer qubits dan nu mogelijk is.