AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
Nieuwe kwantumchip stuurt qubits aan met bestaande chiptechniek
Onderzoekers hebben een kwantumchip gebouwd die volledig wordt aangestuurd door een speciale chip op basis van gewone siliciumtechnologie. Het systeem combineert 54 kwantumpunten met een supergeleidende kabel en een koude besturingschip, en laat zien dat foutcorrectie op deze manier haalbaar is.
Een grote hindernis bij het bouwen van bruikbare kwantumcomputers is niet alleen de kwaliteit van de qubits zelf, maar ook hoe je duizenden van die qubits aanstuurt zonder een oerwoud aan bekabeling. Onderzoekers presenteren nu in Nature een nieuwe aanpak: een volledig geïntegreerde kwantumverwerkingseenheid die stuurt met een chip gebaseerd op standaard CMOS-technologie, dezelfde techniek die in gewone computerchips zit.
Drie chips, één systeem
Het systeem bestaat uit drie onderdelen die elk apart zijn gefabriceerd met bestaande halfgeleiderprocessen. Op de koudste plek, bij temperaturen rond de 150 millikelvin (bijna het absolute nulpunt), zit de qubit-chip zelf: een rooster van 54 met elkaar verbonden kwantumpunten, verdeeld over drie rijen. Daarmee kunnen tot 18 zogeheten exchange-only qubits worden gevormd, waarbij drie elektronen samen de informatie dragen.
Een stukje verder, op 4 kelvin (nog steeds extreem koud, maar veel praktischer om technologie te laten werken), staat een speciaal ontworpen besturingschip. Die genereert alle stuursignalen voor de qubits. Tussen de twee chips zit een supergeleidende lintkabel van niobium, die honderden signalen kan doorgeven zonder warmte te lekken naar de kwantumchip. Dat laatste is cruciaal: te veel warmte verstoort de fragiele kwantumtoestanden.
Waarom dit ontwerp slim is
Door de besturing dichter bij de qubits te plaatsen, hoeven niet honderden losse kabels vanaf kamertemperatuur naar de koudste plek in de koelkast te lopen. Dat scheelt complexiteit en kosten, twee factoren die nu vaak worden genoemd als grootste obstakel voor commerciële kwantumcomputers. Bovendien passen de simpele spanningssignalen die exchange-only qubits nodig hebben goed bij wat een energiezuinige CMOS-chip kan leveren.
De onderzoekers testten het systeem niet alleen op losse qubit-bewerkingen, maar ook op foutcorrectie: het vermogen van een kwantumcomputer om zijn eigen rekenfouten op te sporen en te herstellen. Ze voerden een zogeheten kwantumfoutcorrectie-test uit met vijf qubits in serie (een repetitiecode) en een aparte foutdetectiecode met vier qubits. Dat is belangrijk, omdat foutcorrectie wordt gezien als de sleutel om kwantumcomputers ooit bruikbaar te maken voor echte problemen: individuele qubits maken nu eenmaal nog te veel fouten om op zichzelf te vertrouwen.
Vergeleken met eerdere systemen
Volgens de onderzoekers presteren de qubits in dit systeem, zowel bij enkele bewerkingen als bij bewerkingen tussen twee qubits, ongeveer tien keer beter dan eerdere exchange-only qubitsystemen. Dat komt onder meer doordat de chip is gemaakt van silicium en germanium waarvan bepaalde atoomvarianten (isotopen) zijn weggefilterd, wat magnetische ruis vermindert. Doordat elk onderdeel, van kwantumchip tot bekabeling tot besturingselektronica, met bestaande fabrieksprocessen wordt gemaakt, zien de auteurs dit als een concreet stap richting kwantumcomputers die ook echt op grote schaal te bouwen zijn.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Dit onderzoek laat zien dat kwantumcomputers niet alleen betere qubits nodig hebben, maar ook praktische, fabriceerbare manieren om die qubits aan te sturen. Door bestaande chipfabricageprocessen te hergebruiken, wordt opschalen naar duizenden of miljoenen qubits een stuk realistischer, wat de weg vrijmaakt voor kwantumcomputers die echt nuttige problemen kunnen oplossen.
- Exchange-only qubit
- Een type qubit waarbij de informatie wordt opgeslagen in de gezamenlijke spintoestand van drie elektronen in drie naast elkaar liggende kwantumpunten.
- CMOS
- Complementary metal-oxide-semiconductor: de standaardtechnologie waarmee vrijwel alle computerchips, van smartphones tot laptops, worden gemaakt.
- Kwantumpunt
- Een piepklein gebied in een chip waarin een enkel elektron kan worden vastgehouden en gemanipuleerd.
- Millikelvin
- Een temperatuur van een fractie van een graad boven het absolute nulpunt, nodig om kwantumtoestanden stabiel te houden.
- Supergeleidende lintkabel
- Een kabel gemaakt van supergeleidend materiaal (hier niobium) die signalen doorgeeft zonder elektrische weerstand en nauwelijks warmte lekt.
- Kwantumfoutcorrectie
- Een techniek waarbij meerdere qubits samen fouten in kwantumberekeningen opsporen en herstellen, essentieel omdat individuele qubits gevoelig zijn voor storingen.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
