AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
Tantaal en silicium geven qubit tien keer langer geheugen
Amerikaanse onderzoekers hebben een supergeleidende qubit gebouwd die informatie 1,68 milliseconde vasthoudt, ongeveer tien keer langer dan gebruikelijk. De doorbraak komt niet van een nieuw ontwerp, maar van betere materialen: tantaal in plaats van aluminium, en silicium in plaats van saffier.
Een kwantumcomputer belooft rekenkracht die klassieke supercomputers ver achter zich laat. Die belofte staat of valt met de kwaliteit van qubits, de kwantumbits die informatie in meerdere toestanden tegelijk kunnen opslaan. Het probleem: qubits zijn extreem gevoelig. Warmte, trillingen of zelfs een voorbijzwevend elektron kan hun informatie in een fractie van een seconde laten wegvloeien. Onderzoekers van het Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA), geleid door het Amerikaanse Brookhaven National Laboratory, claimen nu een belangrijke stap voorwaarts. Hun team, met wetenschappers van Princeton University, bouwde transmon-qubits die 1,68 milliseconde coherent blijven. Dat is de coherentietijd: de periode waarin een qubit zijn kwantuminformatie betrouwbaar vasthoudt.
Van aluminium naar tantaal
Transmons zijn het meest gebruikte type supergeleidende qubit, onder meer bij techgiganten als Google en IBM. Ze werken bij extreem lage temperaturen en zijn relatief ongevoelig voor storing, wat ze geschikt maakt voor grootschalige productie. Toch gaat er bij elke berekening energie verloren, vooral door microscopische defecten op oppervlakken en overgangen tussen materiaallagen. Chemicus Robert Cava, materiaalexpert Nathalie de Leon en circuitontwerper Andrew Houck, alle drie verbonden aan Princeton, ontdekten dat het metaal tantaal daarbij een voordeel biedt boven de gangbare combinatie van aluminium en niobium. Tantaal vormt een schonere oxidelaag, heeft minder defecten en kan bovendien de agressieve reinigingsstappen in de fabricage beter doorstaan zonder schade op te lopen.
Silicium als sluitstuk
Eerdere tantalum-qubits op een saffieren drager lieten al betere resultaten zien, maar het substraat zelf bleef energie lekken. Het team schakelde daarom over op silicium, wat niet zonder slag of stoot ging: silicium reageert anders tijdens de fabricage en vraagt om aangepaste technieken om verontreiniging te voorkomen. Onderzoekers Faranak Bahrami en Matthew P. Bland werkten de methode verder uit. De combinatie van tantaal en silicium leverde uiteindelijk een recordcoherentie op, zonder dat het basisontwerp van de qubit hoefde te veranderen. Dat laatste is belangrijk: bedrijven die al transmon-gebaseerde processoren bouwen, kunnen de verbeterde materialen in theorie overnemen zonder hun hele architectuur om te gooien. Langere coherentietijden verminderen het aantal rekenfouten, wat weer betekent dat er minder qubits nodig zijn om andere qubits te corrigeren. Dat scheelt complexiteit en versnelt de weg naar een kwantumcomputer die grootschalige, foutbestendige berekeningen aankan. Net als in de chipindustrie blijkt vooruitgang in de kwantumtechniek dus niet alleen uit slimmere algoritmes te komen, maar ook simpelweg uit betere grondstoffen.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Langere coherentietijden verlagen het foutenpercentage van qubits, wat de bouw van grotere, betrouwbaardere kwantumcomputers dichterbij brengt. Omdat de methode compatibel is met bestaande chipontwerpen, kunnen fabrikanten de verbetering relatief snel doorvoeren zonder hun hardware volledig te herontwerpen.
- Qubit
- De kwantumversie van een bit, die door kwantumeffecten meerdere toestanden tegelijk kan aannemen.
- Transmon-qubit
- Het meest gebruikte type supergeleidende qubit, opgebouwd uit een supergeleidend circuit dat bij extreem lage temperaturen werkt.
- Coherentietijd
- De tijd waarin een qubit zijn kwantuminformatie betrouwbaar vasthoudt voordat storing die informatie vernietigt.
- Supergeleiding
- Een materiaaltoestand waarbij elektrische stroom zonder weerstand kan lopen, meestal bij zeer lage temperaturen.
- Tantaal
- Een supergeleidend metaal met relatief weinig defecten, gebruikt als alternatief voor aluminium in qubitcircuits.
- Silicium substraat
- De onderliggende drager van een chip; silicium blijkt minder energieverlies te veroorzaken dan het vaker gebruikte saffier.
- Oxidelaag
- Een dun laagje metaaloxide dat vanzelf ontstaat op een materiaaloppervlak en dat, als het onzuiver is, energie uit een qubit kan laten weglekken.
- Depositietechniek
- De methode waarmee dunne materiaallagen op een chip worden aangebracht tijdens de fabricage.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
