Resonator: de trilholte die kwantumcomputers laat 'luisteren' naar qubits
Een resonator is een systeem dat het liefst trilt op één specifieke frequentie, net zoals een wijnglas alleen 'zingt' als je precies de juiste toon aanslaat of eroverheen wrijft met een natte vinger. Tik tegen andere glazen en je hoort een doffe klank; tik tegen het juiste glas op de juiste manier en het blijft resoneren, oftewel meetrillen op zijn eigen resonantiefrequentie. Elektronische en elektromagnetische resonatoren werken volgens hetzelfde principe, maar dan met elektrische stroom of microgolfstraling in plaats van geluid.
In de context van toekomsttechnologie duikt de term vooral op rond kwantumcomputers. Daar zijn resonatoren geen bijzaak maar een cruciaal onderdeel: piepkleine, supergeleidende trilholtes die dienen als 'oren' en soms zelfs als geheugen voor qubits, de kwantumbits waarmee deze computers rekenen. Zonder resonatoren zouden onderzoekers simpelweg niet kunnen aflezen wat er in een qubit gebeurt zonder de fragiele kwantumtoestand meteen te verstoren.
Wat is het precies?
De eenvoudigste resonator is een zogeheten LC-circuit: een spoel (L, voor inductantie) en een condensator (C, voor capaciteit) die samen energie heen en weer laten pendelen, net als een slinger die energie uitwisselt tussen snelheid en hoogte. Dat circuit heeft een natuurlijke trilfrequentie die afhangt van de waarden van de spoel en de condensator.
In kwantumchips wordt dit principe uitgevoerd als een coplanaire golfgeleiderresonator: een dun, kronkelend metalen spoor van supergeleidend materiaal op een chip, dat zich gedraagt als een minuscule microgolfholte. Belangrijk is de kwaliteitsfactor, afgekort Q: hoe hoger de Q-factor, hoe langer de resonator blijft trillen voordat de energie wegvloeit als verlies. Bij goede supergeleidende resonatoren kan die factor in de miljoenen lopen, wat betekent dat de trilling extreem zuiver en langdurig is.
Het slimme gebeurt wanneer zo'n resonator gekoppeld wordt aan een qubit, bijvoorbeeld een transmon: een supergeleidend schakelcircuitje dat zich als kunstmatig atoom gedraagt. De resonantiefrequentie van de resonator verschuift lichtjes, afhankelijk van of de qubit in toestand '0' of '1' staat. Door een microgolfsignaal naar de resonator te sturen en te meten hoe het terugkaatst, kunnen onderzoekers aflezen in welke toestand de qubit zich bevindt zonder de qubit zelf rechtstreeks aan te raken. Dit heet dispersieve uitlezing, en het onderliggende samenspel tussen licht (microgolffotonen) en materie (de qubit) wordt beschreven met het Jaynes-Cummingsmodel, een standaardmodel uit de kwantumoptica.
Naast platte, tweedimensionale resonatoren op een chip bestaan er ook driedimensionale metalen holtes, ter grootte van een vingerhoed, waarin een qubit wordt geplaatst. Deze 3D-resonatoren isoleren de kwantuminformatie beter van hun omgeving en worden daardoor gebruikt als een soort kwantumgeheugen met langere levensduur dan de qubit zelf.
Wat wil men ermee bereiken?
Het eerste en meest directe doel is uitlezen: weten wat een qubit doet, op het juiste moment, zonder de kwantumtoestand te vernietigen voordat de berekening klaar is. Zonder betrouwbare, snelle uitlezing is een kwantumcomputer een black box.
Een tweede doel is koppeling. Resonatoren functioneren als een soort microgolf-'bus' die twee qubits die niet direct naast elkaar liggen toch met elkaar kan laten communiceren, doordat beide aan dezelfde resonator gekoppeld zijn. Dat is essentieel om qubits samen te laten werken in een groter circuit.
Een derde, ambitieuzer doel is het gebruiken van de resonator zélf als informatiedrager. Bij zogeheten bosonische of 'kat-qubits' wordt kwantuminformatie niet opgeslagen in een enkel supergeleidend circuitje, maar in de trillingstoestand van fotonen binnen een 3D-microgolfholte. Omdat zo'n holte van nature al bepaalde soorten fouten onderdrukt, hopen onderzoekers hiermee foutcorrectie efficiënter te maken, met minder extra qubits per beschermde kwantumbit dan bij traditionele methodes nodig is.
Voorbeelden uit de praktijk
De basis werd gelegd aan Yale University, waar de onderzoeksgroep van Robert Schoelkopf, Michel Devoret en Steven Girvin in 2004 voor het eerst liet zien dat een supergeleidende qubit gekoppeld kon worden aan een microgolfresonator op een chip, geïnspireerd door bestaande kwantumoptica-experimenten met atomen in holtes. In 2007 introduceerde diezelfde groep de transmon, een robuustere qubit-variant die sindsdien de meest gebruikte bouwsteen is in supergeleidende kwantumcomputers.
Google gebruikte in 2019 met zijn Sycamore-processor, bestaande uit 53 supergeleidende qubits, voor elke qubit een eigen uitleesresonator om het inmiddels bekende 'quantum supremacy'-experiment uit te voeren, waarbij de chip een specifieke berekening sneller uitvoerde dan mogelijk leek voor een klassieke supercomputer.
IBM bouwt zijn Quantum-processoren, zoals de 127-qubit Eagle-chip uit 2021 en de latere, nog grotere chips, op hetzelfde principe van resonator-gebaseerde uitlezing en koppeling.
In Nederland werkt QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en onderzoeksinstituut TNO, binnen het nationale programma Quantum Delta NL aan supergeleidende qubitchips waarin resonatoren een centrale rol spelen bij uitlezing en foutcorrectie-experimenten.
De Franse start-up Alice & Bob, opgericht in 2020, zet juist in op de derde toepassing: zij bouwen kat-qubits in 3D-microgolfholtes, met als doel foutcorrectie drastisch te vereenvoudigen. Ook het Center for Quantum Computing van Amazon Web Services publiceerde onderzoek naar vergelijkbare bosonische, op resonatoren gebaseerde qubit-ontwerpen.
Hoe ver is de techniek?
Resonatoren voor uitlezing en koppeling zijn inmiddels volwassen techniek: vrijwel elke supergeleidende kwantumcomputer die vandaag bestaat, van laboratoriumopstelling tot commercieel toegankelijke cloud-systemen van Google en IBM, gebruikt ze op dezelfde manier. Dat onderdeel van de techniek is dus geen wetenschappelijk experiment meer, maar ingenieurswerk: chips met honderden qubits vergen honderden nauwkeurig afgestemde resonatoren die elkaar niet mogen storen.
Het gebruik van resonatoren als kwantumgeheugen of als drager van kat-qubits staat aanzienlijk vroeger in de ontwikkeling. Hier is nog volop onderzoek nodig naar materialen en fabricageprocessen die de kwaliteitsfactor verder verhogen.
De belangrijkste hindernissen zijn microscopische materiaaldefecten, zogeheten twee-niveausystemen, die energie uit de resonator laten weglekken en zo de coherentietijd beperken, oftewel de tijd waarin kwantuminformatie betrouwbaar bewaard blijft. Daarnaast toonden onderzoekers rond 2020-2021, onder meer bij Google, aan dat kosmische straling en achtergrondradioactiviteit sporadisch trillingen door de chip kunnen sturen die tegelijkertijd meerdere qubits en resonatoren verstoren, een probleem waar nog geen volledige oplossing voor bestaat.
Wie werken eraan?
Op bedrijfsniveau lopen Google, IBM, Rigetti en de Finse chipbouwer IQM voorop met resonator-gebaseerde supergeleidende qubitchips voor algemene kwantumberekeningen. Alice & Bob in Frankrijk en het Center for Quantum Computing van Amazon richten zich specifiek op resonatoren als drager van foutbestendige kat-qubits.
Op onderzoeksniveau blijft Yale University, waar het vakgebied circuit-kwantumelektrodynamica ontstond, een belangrijk centrum, samen met ETH Zürich in Zwitserland, MIT Lincoln Laboratory in de Verenigde Staten en Chalmers University of Technology in Zweden. In Nederland is QuTech, onderdeel van de TU Delft en verbonden aan het nationale programma Quantum Delta NL, het belangrijkste kenniscentrum op dit gebied.
Grote overheidsinvesteringen in kwantumtechnologie, waaronder resonator-onderzoek, komen onder meer uit de Verenigde Staten, de Europese Unie, Nederland, Frankrijk, Zwitserland en China, wat het onderwerp tot een internationaal speerpunt maakt binnen de bredere race om schaalbare kwantumcomputers.