Siliciumfotonica moet kwantumcomputers eindelijk laten opschalen

Kwantumcomputers moeten ooit rekenproblemen oplossen die gewone computers niet aankunnen, maar de weg daarnaartoe loopt vast op een praktisch probleem: opschaling. Hoe meer qubits een systeem telt, hoe moeilijker het wordt om ze allemaal stabiel en foutloos aan te sturen. Het Verenigd Koninkrijk investeert daarom 2,5 miljard pond in een tienjarige kwantumstrategie, en ook elders groeit de druk om een oplossing te vinden. Volgens hoogleraar Callum Littlejohns (CORNERSTONE) en universitair hoofddocent Amit Agrawal (Universiteit van Cambridge) ligt het antwoord niet binnen de kwantumwereld zelf, maar in een technologie die de chipindustrie al decennia beheerst: siliciumfotonica.

Bij siliciumfotonica worden optische onderdelen zoals lasers, schakelaars en detectoren op een chip geïntegreerd, vergelijkbaar met hoe elektronische circuits op een processor zijn samengeperst. Dat is precies wat kwantumcomputers nodig hebben, want vrijwel elk type qubit hangt af van uiterst precies gestuurd licht. Bij ionenvallen houden elektromagnetische velden losse ionen op hun plek, bij neutrale atomen doen optische pincetten dat werk, en bij fotonische qubits zit de informatie letterlijk in het licht zelf. In alle gevallen moeten meerdere laserbundels met microseconde-precisie worden gericht en geschakeld, iets wat met handmatig uitgelijnde spiegels en lenzen al bij een paar honderd qubits onhandelbaar wordt.

Van labopstelling naar chip

Vrije-ruimteoptica – losse spiegels, lenzen en bundelsplitsers die met de hand worden uitgelijnd – werkte prima in vroege experimenten met kleine aantallen qubits. Maar zulke opstellingen zijn gevoelig voor trillingen, verlopen na verloop van tijd en zijn tijdrovend om op te bouwen. Een geïntegreerde fotonische chip levert dezelfde optische functies in een compact, reproduceerbaar formaat, geproduceerd met bestaande fabricagelijnen uit de chipindustrie. Bedrijven als PsiQuantum en Photonic Inc. zetten hier al concreet op in: PsiQuantum wil foutbestendige kwantumcomputers met miljoenen qubits bouwen via standaardfabrieken, terwijl Photonic Inc. spin-qubits in silicium optisch met elkaar verbindt.

Bouwstenen voor gekoppelde systemen

Silicumfotonica speelt ook een rol als verbindingslaag tussen quantum- en klassieke rekeneenheden in hybride, modulaire systemen. Optische verbindingen kunnen data snel en met weinig warmteontwikkeling tussen chips verplaatsen, wat cruciaal is naarmate systemen uit meerdere gekoppelde modules gaan bestaan. Toch waarschuwen de auteurs dat de marges extreem klein zijn: al een fractie van een procent afwijking in de afmetingen van een lichtgeleider kan de betrouwbaarheid van een qubit beïnvloeden. Dat vraagt om fabricage-aware ontwerp, waarbij chiplayouts vooraf rekening houden met kleine, voorspelbare productieafwijkingen.

De toegang tot geavanceerde productiefaciliteiten verschilt sterk per land, wat volgens de auteurs de uitkomst van nationale kwantumstrategieën kan bepalen. De Europese Unie trok vorig jaar 400 miljoen euro uit voor PIXEurope, een pilotlijn voor fotonische chips. Het Verenigd Koninkrijk reserveerde 90 miljoen pond voor kwantuminfrastructuur, al is een eigen fotonica-pilotlijn nog in bespreking. Siliciumfotonica lost het opschalingsprobleem niet in zijn eentje op, maar wordt volgens de onderzoekers een onmisbaar onderdeel van de puzzel.