Kwantumchip bewaart data in trillingen, niet in radiogolven

Een gewone computer heeft twee gescheiden onderdelen: een processor die rekent en een geheugen dat gegevens tijdelijk bewaart. Bij kwantumcomputers is die scheiding veel lastiger te maken. De qubits die de rekenkracht leveren, zijn extreem gevoelig en moeten voortdurend actief blijven. Aparte geheugenchips, een soort kwantum-RAM, bestaan wel, maar de bouwstenen daarvoor zijn tot nu toe onhandig groot.

Dat komt doordat bestaand kwantumgeheugen meestal gebruikmaakt van elektromagnetische resonatoren: holtes of circuits die trillen op dezelfde frequentie als de qubit, meestal een paar miljard keer per seconde. Omdat radiogolven op die frequentie een golflengte van centimeters hebben, moeten de bijbehorende resonatoren ongeveer even groot zijn om goed te resoneren. Op een chip waar elke millimeter telt, is dat een serieus probleem: hoe meer geheugen je wilt, hoe meer ruimte je nodig hebt, en die ruimte is nu juist schaars op een kwantumprocessor.

Trillingen in plaats van radiogolven

De oplossing die onderzoekers nu voorstellen, draait om geluid in plaats van licht. In plaats van informatie op te slaan in elektromagnetische golven, doen ze dat in mechanische trillingen: kwantumdeeltjes van geluid, ook wel fononen genoemd. Geluid plant zich honderdduizend keer langzamer voort dan licht. Dat klinkt als een nadeel, maar is hier juist de sleutel: bij dezelfde trillingsfrequentie is de golflengte van geluid enorm veel korter dan die van radiogolven. Een akoestische resonator die op dezelfde frequentie werkt als een qubit, kan daardoor duizenden keren kleiner zijn dan zijn elektromagnetische tegenhanger, terwijl hij evengoed informatie kan vasthouden.

Meer geheugen op minder chipoppervlak

Het team, verbonden aan de ETH Zürich, ontwierp op basis van dit principe een computerarchitectuur waarin geheugen letterlijk als trilling wordt bewaard naast de rekenende qubits. Omdat de benodigde hardware zoveel kleiner wordt, groeit de hoeveelheid geheugen die op een chip past niet lineair maar exponentieel mee met de beschikbare ruimte. Voor een technologie die nu nog worstelt met chips vol qubits die nauwelijks marge overlaten voor extra componenten, is dat een substantiële verbetering.

Kleiner geheugen betekent ook minder warmteontwikkeling en minder bekabeling, twee knelpunten die het opschalen van kwantumcomputers vandaag de dag afremmen. Elke qubit die niet hoeft te wachten op een log geheugenblok, kan sneller en efficiënter worden aangestuurd. Als deze aanpak zich in de praktijk bewijst, kan ze bijdragen aan kwantumchips die niet alleen krachtiger zijn, maar ook compacter en makkelijker te bouwen. Daarmee raakt het werk een van de grootste praktische obstakels op weg naar bruikbare, foutbestendige kwantumcomputers: niet het rekenen zelf, maar het simpelweg bewaren van de uitkomsten tot ze nodig zijn.