QCCD-architectuur: hoe je een quantumcomputer bouwt door ionen te verschuiven
Stel je een quantumcomputer voor als een treinstation met heel veel losse stukjes spoor. Op elk stukje spoor kan één treinwagon (een geladen atoom, een 'ion') even stilstaan om iets te doen: informatie opslaan, of samenwerken met een buurwagon voor een rekenstap. Een rangeersysteem van elektrische velden duwt en trekt die wagonnetjes voorzichtig van het ene stukje spoor naar het andere, zodat steeds de juiste ionen bij elkaar komen wanneer dat nodig is. Dat is in essentie de QCCD-architectuur, kort voor 'Quantum Charge-Coupled Device'.
De naam verwijst naar de charge-coupled device of CCD, de lichtgevoelige chip die je kent van (oudere) digitale camera's. In een CCD wordt elektrische lading pixel voor pixel doorgeschoven om een beeld uit te lezen. Bij QCCD gebeurt iets vergelijkbaars, maar dan met individuele atomen in plaats van ladingspakketjes: de atomen worden fysiek verplaatst over een chip met elektroden, zodat een quantumcomputer met veel meer qubits (de rekeneenheden van een quantumcomputer) beheersbaar blijft dan wanneer alle atomen op één vaste plek zouden moeten blijven staan.
Wat is het precies?
QCCD-quantumcomputers gebruiken elektrisch geladen atomen, ionen genoemd, als qubit. Veelgebruikte ionen zijn bijvoorbeeld ytterbium, calcium, strontium of barium. Deze ionen worden in een vacuümkamer zwevend gehouden door elektrische velden, opgewekt door een patroon van microscopisch kleine elektroden op een chip: een zogeheten ionenval of Paul-val, vernoemd naar natuurkundige Wolfgang Paul.
In een eenvoudige ionenvalcomputer staat één rijtje ionen op een rechte lijn, en worden laserpulsen gebruikt om individuele ionen te lezen, te beïnvloeden en met elkaar te laten 'praten' via hun gezamenlijke trillingen. Dat werkt goed voor een klein aantal qubits, maar wordt al snel onhandelbaar: hoe langer de ketting ionen, hoe lastiger het wordt om met een laser precies één ion te raken zonder de buren te storen, en hoe rommeliger de trillingspatronen worden die nodig zijn om qubits te koppelen.
De QCCD-oplossing is: knip die ene lange ketting op in kleine, behapbare groepjes. De chip krijgt aparte zones — geheugenzones om ionen rustig te laten 'wachten', en een of meerdere bewerkingszones waar met lasers rekenkundige poorten worden uitgevoerd. Door de spanning op de elektroden in real time te veranderen, worden ionen als treinwagonnetjes van zone naar zone geschoven, ook langs kruispunten (X- of Y-vormige splitsingen in het elektrodenpatroon). Een ion dat zojuist in de geheugenzone lag, kan zo naar de bewerkingszone rijden, daar een quantumpoort ondergaan met een ander ion, en weer teruggaan.
Dat verplaatsen moet voorzichtig gebeuren: te snelle of te schokkerige bewegingen verwarmen de trillingsbeweging van het ion op, wat de nauwkeurigheid van latere rekenstappen aantast. Onderzoekers werken daarom met zorgvuldig vormgegeven spanningsprofielen die het ion soepel laten optrekken, afremmen en door bochten sturen, vergelijkbaar met hoe een goede treinbestuurder niet abrupt optrekt of remt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is opschaling: een quantumcomputer bouwen met genoeg qubits en genoeg betrouwbaarheid om problemen op te lossen die voor gewone computers onhaalbaar zijn, zoals het simuleren van complexe moleculen voor medicijn- of batterijontwikkeling, of bepaalde optimalisatie- en cryptografieproblemen. Trapped-ion-qubits (qubits gemaakt van gevangen ionen) horen tot de meest nauwkeurige qubits die er bestaan: hun quantumtoestanden blijven relatief lang stabiel en de foutenpercentages bij rekenstappen liggen doorgaans lager dan bij veel concurrerende technieken.
Het probleem is altijd geweest dat die nauwkeurigheid moeilijk te combineren was met grote aantallen qubits, omdat één lange ionenketting simpelweg niet handelbaar is. QCCD probeert dat op te lossen door de architectuur modulair te maken: kleine, goed beheersbare groepjes ionen die via shuttling (het verschuiven van ionen) met elkaar kunnen samenwerken, in plaats van dat alle qubits permanent naast elkaar moeten liggen. In theorie kan dit principe worden herhaald over steeds grotere chips, met meerdere bewerkingszones die tegelijk werken, en zelfs over meerdere gekoppelde chips.
Een tweede, gerelateerd doel is volledige connectiviteit: in een QCCD-systeem kan in principe elk ionpaar bij elkaar worden gebracht om een poort uit te voeren, in plaats van dat qubits alleen met vaste buren kunnen communiceren zoals bij sommige andere architecturen. Dat maakt het makkelijker om quantumalgoritmes efficiënt uit te voeren en fouten te corrigeren.
Voorbeelden uit de praktijk
Het concept werd in 2002 voorgesteld door David Kielpinski, Chris Monroe en Nobelprijswinnaar David Wineland in een invloedrijk artikel in Nature, als antwoord op de vraag hoe je ionenvalcomputers zou kunnen opschalen voorbij een handvol qubits.
Het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de Verenigde Staten, waar Wineland decennialang werkte, bouwde al in de jaren 2000 vroege experimentele chips die ionen tussen zones verplaatsten en zo basisprincipes van QCCD demonstreerden.
Honeywell Quantum Solutions, later gefuseerd met Cambridge Quantum tot Quantinuum (2021), bouwde de System Model H-serie volledig op QCCD-principes. Het bedrijf liet onder meer zien dat je met shuttling qubits tijdens een berekening kunt hergebruiken en tussentijds kunt uitlezen, iets wat lastig is in architecturen zonder verplaatsbare qubits. Quantinuum gebruikte QCCD-systemen ook voor vroege demonstraties van foutgecorrigeerde 'logische' qubits, waarbij meerdere fysieke qubits samen één betrouwbaardere qubit vormen.
IonQ, opgericht door Chris Monroe en Jungsang Kim, bouwt eveneens trapped-ion-systemen en past in zijn nieuwere generaties chips vormen van ionenshuttling toe die aansluiten bij het QCCD-principe, naast onderzoek naar optische verbindingen tussen aparte modules.
In Europa werkt het Britse bedrijf Universal Quantum, mede opgericht door natuurkundige Winfried Hensinger (University of Sussex), aan siliciumchips met QCCD-shuttling die volgens de makers moeten opschalen naar zeer grote aantallen qubits, onder meer via een Brits-Duitse samenwerking met Universiteit Mainz. Ook Oxford Ionics en het Oostenrijkse Alpine Quantum Technologies (AQT), een spin-off van de Universiteit Innsbruck, ontwikkelen ionenvalsystemen met verplaatsbare qubits.
Hoe ver is de techniek?
QCCD-systemen behoren tot de verder ontwikkelde quantumarchitecturen: er draaien al werkende machines met enkele tientallen qubits die via de cloud toegankelijk zijn voor onderzoekers en bedrijven, en die herhaaldelijk hoge scores hebben gehaald op benchmarks zoals 'quantum volume', een maat die niet alleen het aantal qubits meet maar ook hoe betrouwbaar en flexibel ze samen kunnen rekenen.
Toch blijven er stevige technische obstakels. Het aantal kruispunten en zones op een chip groeit snel naarmate je meer qubits wilt, en elk kruispunt is een plek waar extra fouten kunnen sluipen. Het verschuiven van ionen kost tijd; hoe meer shuttling-stappen een berekening nodig heeft, hoe langzamer en foutgevoeliger het proces wordt. Er is voortdurend gekoeld laserlicht nodig om ionen 'koud' (rustig) te houden, en de precisiefabricage van chips met honderden of duizenden elektroden is complex en duur.
Een reëel knelpunt is verder dat elke bewerkingszone meestal maar één of enkele operaties tegelijk kan uitvoeren; parallellisatie over veel zones tegelijk, nodig voor duizenden qubits, is nog grotendeels experimenteel. Onderzoekers zijn wel geleidelijk aan het opschalen — van enkele qubits begin jaren 2000 naar tientallen qubits nu, met routekaarten van meerdere bedrijven die honderden tot duizenden qubits binnen dit decennium beloven — maar dergelijke roadmaps moeten met de nodige voorzichtigheid worden gelezen: soortgelijke beloften in de quantumsector zijn vaker uitgesteld dan gehaald.
Wie werken eraan?
De belangrijkste commerciële spelers zijn Quantinuum (Verenigde Staten/Verenigd Koninkrijk, voortgekomen uit Honeywell en Cambridge Quantum Computing), IonQ (Verenigde Staten), Universal Quantum en Oxford Ionics (beide Verenigd Koninkrijk), Alpine Quantum Technologies (Oostenrijk) en het Duitse eleQtron.
Op onderzoeksgebied speelde NIST in de Verenigde Staten een grondleggende rol, met name via het werk van David Wineland en collega's. Andere vooraanstaande academische groepen zitten aan de Universiteit van Maryland (met onder meer Christopher Monroe), de Universiteit Innsbruck in Oostenrijk (met Rainer Blatt, een van de pioniers van ionenvalcomputers), de Universiteit van Sussex in het Verenigd Koninkrijk, en ETH Zürich in Zwitserland. Ook Duitsland (onder meer via de Universiteit van Mainz) en China investeren in ionenval-onderzoek, al is trapped-ion-onderzoek in China minder prominent in het nieuws dan het Chinese werk aan supergeleidende quantumchips.