Kleine materiaalfoutjes verklaren grote verschillen tussen kwantumbits

Kwantumcomputers moeten ooit berekeningen uitvoeren die voor gewone computers onhaalbaar zijn. De bouwstenen daarvan, kwantumbits of qubits, zijn echter notoir grillig: twee qubits die op dezelfde chip zijn gemaakt, met dezelfde materialen en hetzelfde ontwerp, kunnen toch sterk verschillend presteren. Tot nu toe was onduidelijk welke microscopische eigenschappen dat verschil precies verklaren.

Onderzoekers van het Superconducting Quantum Materials and Systems Center (SQMS), geleid door het Amerikaanse Fermilab, publiceerden nu in het tijdschrift Applied Physics Reviews de meest uitgebreide studie tot dusver naar dit probleem. Samen met Northwestern University, Rigetti Computing, Ames National Laboratory, het Amerikaanse NIST en het Britse NPL onderzochten ze 22 supergeleidende transmon-qubits, gemaakt door Fermilab, Rigetti en NIST. Een transmon is het meest gebruikte type kwantumbit in supergeleidende kwantumchips, mede omdat het minder gevoelig is voor kleine elektrische storingen.

Blind onderzoek zonder voorkennis

Het team gebruikte zeven verschillende materiaalanalyses, van microscopie tot oppervlaktechemie, om elke qubit grondig in kaart te brengen. Cruciaal was dat de wetenschappers die de materialen onderzochten vooraf niet wisten hoe goed elke qubit presteerde op het gebied van coherentietijd: de tijd waarin een qubit zijn kwantuminformatie vasthoudt zonder die te verliezen. Pas na het verzamelen van alle data gingen de onderzoekers op zoek naar verbanden tussen materiaalkenmerken en gemeten prestaties.

Die aanpak moest voorkomen dat verwachtingen de resultaten zouden kleuren. Metingen begonnen niet-destructief, waarna veelbelovende signalen met preciezere, soms vernietigende technieken verder werden uitgeplozen.

Drie boosdoeners geïdentificeerd

Uit de analyse kwamen drie fabricagekenmerken naar voren die samen tot een factor twee verschil in qubitprestatie kunnen leiden: de dikte van de natuurlijke oxidelaag op het oppervlak, de hoek van de geëtste zijwanden van de chipstructuren, en de diepte van de greppels die bij de fabricage rond de qubit worden uitgeëtst. Opvallend is dat al verschillen van een paar nanometer in oxidedikte merkbaar invloed hebben op de prestaties. Eerder onderzoek van Fermilab liet al zien dat dit oxidelaagje, hoewel maar enkele nanometers dik, een groot deel van het energieverlies in niobium-qubits veroorzaakt. De hoek van de zijwanden hangt samen met hoe structuren tijdens fabricage worden geëtst, en simulaties wijzen uit dat een scherpe hoek van ongeveer 10 tot 15 graden gunstiger is voor de prestaties.

Praktisch nut voor chipfabricage

Voor SQMS is de studie meer dan een terugblik. Omdat nu bekend is welke materiaalgebreken samenhangen met prestatieverlies, kunnen fabrikanten gericht sleutelen aan productieprocessen, etstechnieken en oppervlaktebehandelingen. Dat is belangrijk omdat kwantumcomputers alleen praktisch nuttig worden als grote aantallen qubits betrouwbaar en voorspelbaar functioneren. Volgens Bindu Nair van het Amerikaanse ministerie van Energie levert het onderzoek een wetenschappelijk onderbouwde gids op voor de materiaaldefecten achter prestatieverschillen, een stap die volgens haar essentieel is voor de volgende generatie krachtige kwantumtechnologie.