Fluxonium: de supergeleidende qubit die ruis het zwijgen probeert op te leggen
Een quantumcomputer staat of valt met de kwaliteit van zijn qubits, de quantumversie van de bit. Waar een gewone bit een 0 of een 1 is, kan een qubit een mengsel van beide tegelijk zijn. Het probleem is dat dit fragiele mengsel razendsnel kapotgaat door warmte, straling en elektrische ruis uit de omgeving. Fluxonium is een van de manieren waarop natuurkundigen proberen dat probleem structureel op te lossen: een type supergeleidende qubit dat door zijn eigen bouw minder gevoelig is voor bepaalde soorten storing dan de veelgebruikte 'transmon'-qubit die bedrijven als Google en IBM inzetten.
Vergelijk het met een stemvork. Een gewone stemvork trilt op één duidelijke toon en is gevoelig voor allerlei trillingen uit de omgeving die zijn toon vervuilen. Een fluxonium-circuit is eerder te vergelijken met een zwaar, log slingeruurwerk: het reageert veel trager en minder makkelijk op kleine, willekeurige duwtjes van buitenaf, waardoor het zijn 'ritme' langer zuiver kan vasthouden. Die eigenschap maakt fluxonium interessant voor onderzoekers die qubits willen bouwen die langer 'onthouden' wat er in hen is opgeslagen, wat cruciaal is voor betrouwbare quantumberekeningen.
Wat is het precies?
Fluxonium is, net als de transmon, een supergeleidende qubit: een elektrisch circuitje op een chip, gekoeld tot bijna het absolute nulpunt (rond -273 graden Celsius), waarin stroom zonder weerstand kan lopen. De bouwsteen van zo'n circuit is de Josephson-junctie: een piepklein onderbrekinkje in een supergeleidende draad, zo dun dat stroom er nog steeds doorheen kan 'tunnelen' volgens de wetten van de quantummechanica. Deze junctie gedraagt zich als een niet-lineaire schakeling en zorgt ervoor dat het circuit zich gedraagt als een kunstmatig atoom met discrete energieniveaus, vergelijkbaar met de energieniveaus van elektronen in een echt atoom.
Het verschil met een transmon zit in wat er verder nog in het circuit zit. Een transmon bestaat globaal uit één Josephson-junctie en een condensator. Fluxonium voegt daar een derde element aan toe: een zeer grote inductantie, ook wel een 'superinductor' genoemd. Dat is meestal een lange rij van tientallen tot honderden extra, grotere Josephson-junkies achter elkaar, of een draadje van een speciaal supergeleidend materiaal (zoals granulair aluminium of niobium-titaannitride) dat van nature een hoge inductantie heeft. Deze superinductor 'sjort' als het ware aan het circuit en zorgt voor een heel andere energielandschap: een dubbele put in plaats van een enkele, vlakke kom.
Door precies een halve magnetische-fluxquantum (een vaste, natuurkundige eenheid van magnetische flux) door de lus van het circuit te sturen met een extern magneetveld, ontstaat een zogeheten 'sweet spot': een werkpunt waarop de energie van de qubit ongevoelig wordt voor kleine schommelingen in zowel de magnetische flux als de lading op het circuit. Dat is het kernidee achter fluxonium: door de juiste combinatie van componenten en het juiste werkpunt te kiezen, wordt de qubit intrinsiek minder gevoelig voor twee van de belangrijkste ruisbronnen die supergeleidende qubits normaal snel laten 'vergeten' wat ze opslaan.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is een quantumcomputer die lang genoeg foutloos kan rekenen om nuttige problemen op te lossen, bijvoorbeeld in scheikunde, materiaalonderzoek of cryptografie. Daarvoor moeten qubits twee dingen combineren: een lange coherentietijd (hoe lang een qubit zijn quantuminformatie vasthoudt voordat ruis die verstoort) en een hoge gate-fidelity (hoe nauwkeurig een rekenstap, een zogeheten 'gate', wordt uitgevoerd).
Transmon-qubits zijn relatief eenvoudig te maken en te besturen, en zijn daardoor de afgelopen vijftien jaar het paardenpaard geworden van grote spelers als Google en IBM. Ze zijn echter fundamenteel gevoelig voor bepaalde soorten ruis, wat hun coherentietijd beperkt tot doorgaans enkele tientallen tot enkele honderden microseconden. Fluxonium belooft, dankzij zijn ingebouwde ruisbescherming, aanzienlijk langere coherentietijden bij vergelijkbare of zelfs kleinere chips. Minder gevoeligheid voor ruis betekent in potentie ook dat er minder extra qubits nodig zijn voor foutcorrectie, het proces waarbij meerdere fysieke qubits worden gebruikt om één betrouwbare 'logische' qubit te vormen. Omdat foutcorrectie enorm veel extra hardware kost, kan elke verbetering in de ruwe kwaliteit van een individuele qubit een grote besparing opleveren in het totale aantal chips dat nodig is voor een bruikbare quantumcomputer.
Voorbeelden uit de praktijk
Het fluxonium-circuit werd in 2009 voor het eerst voorgesteld en experimenteel gedemonstreerd door een team rond Vladimir Manucharyan en Michel Devoret aan Yale University, in samenwerking met theoretici Jens Koch en Leonid Glazman, in een veelgeciteerd artikel in het tijdschrift Science. Die eerste versies waren nog verre van perfect, met coherentietijden van slechts enkele microseconden, maar ze toonden aan dat het idee werkte.
In de jaren daarna verhuisde Manucharyan naar de University of Maryland en later naar het Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), waar zijn groep het ontwerp verder verfijnde. Rond 2018-2019 publiceerde een team aan Yale (met onder anderen Long Nguyen, in het tijdschrift PRX Quantum) een fluxonium-qubit met een levensduur (T1) van ongeveer één milliseconde, destijds een van de langste coherentietijden ooit gemeten in een supergeleidende qubit en een orde van grootte langer dan de meeste transmons op dat moment.
Vanaf ongeveer 2021-2023 verschenen publicaties van onder meer de groepen van Manucharyan en anderen waarin fluxonium-qubitparen twee-qubit-gates met een betrouwbaarheid boven de 99 procent uitvoerden, een belangrijke drempelwaarde voor praktische foutcorrectie.
Een opvallend recenter voorbeeld is Atlantic Quantum, een start-up voortgekomen uit onderzoek aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), die zich specifiek richt op het bouwen van quantumprocessors op basis van fluxonium in plaats van de gangbare transmon. Het bedrijf claimt dat de intrinsieke ruisbescherming van fluxonium een kortere weg biedt naar praktisch bruikbare, foutgecorrigeerde quantumcomputers, al moet dat nog op grotere schaal worden bewezen.
Hoe ver is de techniek?
Fluxonium bevindt zich nog nadrukkelijk in de onderzoeksfase, met de nadruk op experimenten met één, twee of een handvol qubits in laboratoria. Dat is een duidelijk verschil met transmon-gebaseerde systemen, waarvan bedrijven als Google en IBM inmiddels chips met meer dan honderd qubits hebben gebouwd. Fluxonium loopt op het vlak van 'aantal qubits op een chip' dus nog flink achter, maar laat op het vlak van coherentietijd en, in recentere experimenten, ook gate-fidelity per qubitpaar veelbelovende resultaten zien.
De belangrijkste obstakels zijn praktisch van aard. De superinductor, met zijn tientallen tot honderden extra junkies of speciale materialen, is lastiger reproduceerbaar te fabriceren dan het relatief simpele transmon-circuit. Fluxonium-qubits hebben bovendien meer en complexere energieniveaus, wat de besturing met microgolfpulsen ingewikkelder maakt: er is meer kalibratie en meer controle-elektronica per qubit nodig. Ten slotte is het, zoals bij vrijwel elke qubit-technologie, nog onduidelijk of de gunstige eigenschappen die op chips met een paar qubits zijn gemeten, behouden blijven wanneer honderden of duizenden qubits op één chip worden samengebracht, met alle onderlinge overspraak en fabricagevariatie van dien. Onderzoekers zijn het er niet unaniem over eens of fluxonium transmons op termijn zal overtreffen of vooral een aanvullende niche-technologie zal blijven.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar fluxonium is van oorsprong sterk verbonden met Yale University in de Verenigde Staten, waar het concept ontstond, en met de onderzoeksgroep van Vladimir Manucharyan, die via de University of Maryland inmiddels aan het IST Austria in Oostenrijk werkt. Michel Devoret, een van de bedenkers, is behalve aan Yale ook verbonden geweest aan Google Quantum AI, dat overigens zelf vooral op transmon-qubits inzet.
Daarnaast experimenteren diverse universitaire groepen wereldwijd, onder meer in de Verenigde Staten, aan de Technische Universiteit Delft in Nederland (bekend om breder supergeleidend-qubitonderzoek) en bij Chinese instituten zoals de University of Science and Technology of China, met varianten op het fluxonium-ontwerp. Op de commerciële zijde is vooral de Amerikaanse start-up Atlantic Quantum, met wortels aan MIT, een speler die fluxonium als kerntechnologie voor een toekomstige quantumcomputer heeft gekozen, in een veld dat verder wordt gedomineerd door bedrijven die op transmons inzetten, zoals Google, IBM en Rigetti.