Siliciumqubit: hoe de chipindustrie de quantumcomputer wil bouwen
Een siliciumqubit is een qubit — de kleinste rekeneenheid van een quantumcomputer — die gemaakt wordt in gewoon silicium, hetzelfde materiaal waar ook de chip in je laptop of smartphone van is gemaakt. In plaats van lading of spanning gebruikt men de spin van een enkel elektron of een enkele atoomkern als informatiedrager: een piepklein magnetisch eigenschap die net als een tolletje twee richtingen kan hebben, vergelijkbaar met de 0 en 1 van een gewone bit, maar dan met de vreemde quantumregels erbij dat het ook een mengsel van beide tegelijk kan zijn.
Het aantrekkelijke van silicium is niet de fysica op zich — spins bestaan ook in andere materialen — maar de fabriek. Silicium is al zeventig jaar het fundament van de elektronica-industrie, met extreem verfijnde productieprocessen in chipfabrieken van bedrijven als Intel en TSMC. Onderzoekers hopen dat diezelfde fabrieken, met kleine aanpassingen, ooit miljoenen qubits tegelijk kunnen produceren op een oppervlak zo groot als een vingernagel. Dat zou een enorm voordeel zijn ten opzichte van concurrerende technieken zoals supergeleidende qubits (gebruikt door Google en IBM) of ionvallen, die allebei relatief veel ruimte per qubit nodig hebben.
Wat is het precies?
Een siliciumqubit ontstaat meestal op een van twee manieren. Bij de eerste methode, quantumdots genoemd, vangt men met piepkleine metalen elektroden op een siliciumchip een enkel elektron in een soort elektrisch kuiltje. De spin van dat elektron — omhoog of omlaag — vormt de qubit. Door spanningen op de elektroden te variëren, kan men de spin laten draaien (dat is een rekenoperatie) of twee naburige elektronspins met elkaar laten wisselwerken (dat is een tweequbit-poort, nodig voor echte berekeningen).
Bij de tweede methode gebruikt men een enkel donoratoom, meestal fosfor, dat met grote precisie in het silicium wordt ingebouwd. Dit atoom heeft een extra elektron dat los om de kern zweeft; zowel de spin van dat elektron als de spin van de atoomkern zelf kunnen als qubit dienen. Deze aanpak, voorgesteld door de Australische natuurkundige Bruce Kane in 1998, was lange tijd vooral theoretisch, maar wordt inmiddels ook experimenteel gebouwd, atoom voor atoom.
Een cruciaal detail is dat gewoon silicium van nature een klein beetje het isotoop silicium-29 bevat, waarvan de atoomkernen zelf ook een spin hebben. Die kernspins verstoren de qubit-spins als ruis. Door isotopisch gezuiverd silicium te gebruiken — vrijwel uitsluitend het spinloze silicium-28 — wordt die ruis grotendeels weggenomen, wat de qubits veel langer stabiel houdt. Dit is een van de redenen waarom siliciumqubits potentieel zeer lange coherentietijden kunnen halen: de tijd waarin quantuminformatie bewaard blijft voordat ruis haar verstoort.
Net als vrijwel alle qubittechnieken moeten siliciumqubits extreem koud werken, doorgaans enkele tientallen millikelvin — kouder dan de lege ruimte — in een zogeheten verdunningskoelkast. Dat is nodig om thermische trillingen, die de fragiele quantumtoestand zouden vernietigen, te onderdrukken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel van quantumcomputing in het algemeen is het bouwen van machines die bepaalde problemen — zoals het simuleren van moleculen voor medicijn- of batterijontwikkeling, sommige optimalisatievraagstukken, of het kraken van huidige cryptografie — in principe sneller kunnen oplossen dan de krachtigste klassieke supercomputers. Daarvoor zijn naar schatting honderdduizenden tot miljoenen foutgecorrigeerde qubits nodig, omdat individuele qubits foutgevoelig zijn en veel redundantie vereisen om betrouwbare berekeningen te garanderen.
De specifieke belofte van silicium is schaalbaarheid. Supergeleidende qubits, de huidige koploper qua aantal werkende qubits, zijn typisch honderden micrometers groot en vereisen relatief veel bedrading het koelvat in. Een siliciumqubit is duizend keer kleiner en kan in theorie met dezelfde lithografietechnieken gemaakt worden als transistors in een processor — technieken die de industrie al beheerst om miljarden transistors op één chip te zetten. Als dat lukt voor qubits, zou dat de weg vrijmaken naar de dichtheid die nodig is voor grootschalige, foutgecorrigeerde quantumcomputers, zonder compleet nieuwe fabrieksinfrastructuur te hoeven bouwen.
Voorbeelden uit de praktijk
TU Delft / QuTech (Nederland). De groep van Lieven Vandersypen en Menno Veldhorst demonstreerde in 2018 een van de eerste betrouwbare tweequbit-logische poorten in silicium, een essentiële bouwsteen voor rekenoperaties met meerdere qubits.
University of New South Wales / Silicon Quantum Computing (Australië). De groep van Michelle Simmons bouwt qubits atoom voor atoom met een scanning-tunneling-microscoop, waarbij fosforatomen met sub-nanometerprecisie in silicium worden geplaatst. Het bedrijf Silicon Quantum Computing (SQC), opgericht in 2017, werkt aan een commerciële routekaart op basis van deze atomaire aanpak.
Intel (Verenigde Staten). Intel onderzoekt al meer dan tien jaar siliciumqubits, mede omdat het bedrijf zijn bestaande chipfabrieken hiervoor kan inzetten. In 2023 stelde Intel de testchip Tunnel Falls, met 12 siliciumqubits, beschikbaar aan onderzoeksinstellingen zodat externe labs ermee konden experimenteren.
RIKEN (Japan). Het Japanse onderzoeksinstituut RIKEN, samen met partners, behoort tot de groepen die rond 2022 hoge-kwaliteit tweequbit-poorten in silicium demonstreerden, met foutpercentages laag genoeg om in de buurt te komen van de drempel die nodig is voor quantumfoutcorrectie.
Diraq (Australië). Dit spin-offbedrijf van UNSW, opgericht door onder anderen Andrew Dzurak, richt zich specifiek op het commercialiseren van op CMOS gebaseerde quantumdot-qubits, in samenwerking met chipfabrikanten.
Hoe ver is de techniek?
Siliciumqubits liepen lange tijd achter op supergeleidende qubits en ionvallen wat betreft aantal werkende qubits en poortkwaliteit, simpelweg omdat het onderzoeksveld kleiner en jonger is. Rond 2022 publiceerden meerdere groepen (waaronder Delft, UNSW en RIKEN) onafhankelijk van elkaar tweequbit-poorten in silicium met betrouwbaarheden boven 99 procent — een belangrijke psychologische en technische drempel, omdat foutcorrectieschema's doorgaans pas praktisch haalbaar worden boven dit soort percentages.
Toch blijft het aantal qubits in een enkel siliciumsysteem vooralsnog beperkt tot enkele tientallen in de meest geavanceerde demonstraties, ver onder de duizenden tot miljoenen die nodig zijn voor praktisch nuttige, foutgecorrigeerde berekeningen. Belangrijke obstakels zijn onder meer: de uniformiteit van qubits (elk quantumdotje gedraagt zich net iets anders door onvermijdelijke nanometervariaties in de fabricage), de bedradingsuitdaging (elke qubit heeft doorgaans eigen stuurlijnen nodig, wat lastig opschaalt), en het uitlezen van spins, wat technisch lastiger is dan bij sommige concurrerende platforms.
Onafhankelijke experts zijn het erover eens dat siliciumqubits een veelbelovend maar nog relatief onbewezen pad zijn: de fysica werkt aantoonbaar, maar het is nog niet aangetoond dat de beloofde schaalvoordelen ook daadwerkelijk in de praktijk tot grotere, betere systemen leiden dan de huidige koplopers. Een realistische inschatting van de sector is dat het nog een decennium of langer duurt voordat siliciumgebaseerde quantumprocessors met duizenden foutgecorrigeerde qubits gebouwd kunnen worden — een tijdlijn die overigens voor vrijwel alle qubittechnologieën geldt.
Wie werken eraan?
Toonaangevende partijen zijn onder meer Intel (Verenigde Staten), dat zijn commerciële chipexpertise inzet; QuTech, de gezamenlijke quantumonderzoeksfaciliteit van de TU Delft en TNO in Nederland; Silicon Quantum Computing en Diraq, beide voortgekomen uit onderzoek aan de University of New South Wales in Australië; het Japanse onderzoeksinstituut RIKEN; en het Franse onderzoekscentrum CEA-Leti in Grenoble, dat nauw samenwerkt met de Europese chipindustrie. Ook academische groepen aan onder meer Princeton University en de University of Wisconsin-Madison in de Verenigde Staten dragen bij aan fundamenteel onderzoek naar spin-qubits in silicium. Financiering komt vaak van een mix van nationale wetenschapsfondsen, defensiegerelateerde onderzoeksbudgetten en investeringen van de chipindustrie zelf, die belang heeft bij een technologie die op bestaande fabricagelijnen kan voortbouwen.