Spin-shuttling: qubits laten reizen over een chip
Stel je een rij mensen voor die een emmer water van hand tot hand doorgeven, zonder ook maar één druppel te morsen. Iets vergelijkbaars gebeurt bij spin-shuttling, maar dan met een qubit: de kleinste rekeneenheid van een kwantumcomputer. In plaats van een emmer water wordt hier de kwantumtoestand van een enkel elektron over een chip verplaatst, van het ene piepkleine 'vakje' naar het andere, zonder dat de fragiele informatie erin verloren gaat.
Die kwantumtoestand zit vervat in de spin van het elektron, een eigenschap die je kunt vergelijken met een piepklein kompasnaaldje dat naar boven of naar beneden kan wijzen. Spin-shuttling is de techniek om zo'n elektron, en daarmee zijn spin-toestand, gecontroleerd te verschuiven over een halfgeleiderchip door de elektrische spanningen op een rij van microscopisch kleine elektroden in een golvend patroon te veranderen. Het is een van de manieren waarop natuurkundigen proberen kwantumcomputers op basis van spin-qubits op te schalen naar duizenden of miljoenen rekeneenheden.
Wat is het precies?
Een spin-qubit ontstaat wanneer je een enkel elektron (of soms een 'gat', het ontbreken van een elektron) gevangen zet in een quantum dot: een minuscuul gebied in een halfgeleider, meestal silicium of germanium, van slechts enkele tientallen nanometer breed. Dat gevangen zetten gebeurt met metalen elektroden, ook wel gates genoemd, die boven op de chip liggen en waarop je spanning zet om een soort elektrisch 'kuiltje' te vormen waarin het elektron blijft zitten.
Voor kwantumberekeningen moeten qubits met elkaar kunnen wisselwerken, bijvoorbeeld om een zogeheten twee-qubit-poort uit te voeren, een basisbewerking waarmee twee qubits verstrengeld raken. Het probleem is dat de natuurlijke interactie tussen twee spin-qubits, de zogeheten exchange-interactie, alleen werkt over een afstand van hooguit honderd nanometer. Op een chip met duizenden qubits liggen de meeste dus veel te ver uit elkaar om rechtstreeks samen te werken.
Shuttling lost dit op door de qubit zelf te verplaatsen in plaats van hem op afstand te laten communiceren. Onderzoekers onderscheiden grofweg twee varianten. Bij bucket-brigade shuttling springt het elektron stapsgewijs van de ene quantum dot naar de volgende, door de spanning op steeds twee naburige elektroden af te wisselen, ongeveer zoals de eerder genoemde emmer die van hand tot hand gaat. Bij conveyor-mode shuttling, letterlijk 'lopendebandmodus', wordt in plaats daarvan een continu bewegend elektrisch kuiltje gecreëerd door sinusvormige spanningen op een reeks fijn vertakte elektroden, waardoor het elektron soepel en over grotere afstanden wordt meegevoerd, vergelijkbaar met een golf die over water rolt.
De grote uitdaging is dat de spin-toestand tijdens die rit intact moet blijven. Trillingen in het kristalrooster (fononen), elektrische ruis, en in silicium ook nog eens zogeheten valleitoestanden, kunnen ervoor zorgen dat de spin ongewild kantelt of dat de kwantuminformatie vervaagt, een proces dat decoherentie heet. Hoe verder en hoe sneller je moet shuttlen, hoe groter het risico daarop.
Wat wil men ermee bereiken?
Spin-qubits zijn aantrekkelijk omdat ze extreem klein zijn, veel kleiner dan bijvoorbeeld de supergeleidende qubits van bedrijven als IBM en Google, en omdat ze in theorie gemaakt kunnen worden met dezelfde fabricagetechnieken als gewone computerchips. Dat maakt ze in principe geschikt om op grote schaal te produceren.
Die compactheid heeft ook een keerzijde: hoe dichter je qubits op elkaar pakt, hoe minder ruimte er overblijft voor de bedrading en besturingselektronica die elke qubit nodig heeft, en hoe lastiger het wordt om qubits die niet naast elkaar liggen met elkaar te laten communiceren. Spin-shuttling moet dienen als een soort interne kwantumbus: een manier om qubits naar elkaar toe te brengen wanneer ze moeten samenwerken, of om ze naar een aparte zone te verplaatsen waar bijvoorbeeld uitlezing of foutcorrectie plaatsvindt, zonder dat elke qubit permanent omringd hoeft te zijn door dure besturingsapparatuur.
Op de langere termijn hopen onderzoekers met shuttling ook aparte modules van qubits, kleine 'eilandjes' op de chip, met elkaar te verbinden, en uiteindelijk misschien zelfs verschillende chips aan elkaar te koppelen. Dat past in een bredere trend om kwantumcomputers niet als één groot, monolithisch geheel te bouwen, maar als een netwerk van kleinere, beter beheersbare bouwstenen.
Voorbeelden uit de praktijk
Een vroege mijlpaal kwam van de groep van natuurkundige Jason Petta aan Princeton University, die in 2019 liet zien dat een lading, en daarmee een elektron, betrouwbaar heen en weer kon worden geschoven over een rij van silicium quantum dots. Dit werk toonde vooral aan dat het verplaatsen van de lading zelf werkte; het behoud van de spin-toestand kwam in latere experimenten centraler te staan.
Aan de RWTH Aachen University in Duitsland presenteerde een team rond Hendrik Bluhm en Lars Schreiber, in nauwe samenwerking met het naburige Forschungszentrum Jülich, rond 2021 een gedetailleerd ontwerp voor een schaalbare shuttle-architectuur op basis van silicium-germanium, waarin conveyor-mode shuttling een centrale rol speelt. Diezelfde onderzoeksgroepen bouwden dit werk de jaren daarna uit met experimentele demonstraties waarin verstrengelde elektronparen, ook wel spin-EPR-paren genoemd, over meerdere micrometers werden uiteengeschoven terwijl hun kwantumcorrelatie grotendeels behouden bleef.
Bij QuTech, het kwantuminstituut van de TU Delft, richtte de groep van Lieven Vandersypen zich op spin-qubits in germanium, een materiaal waarin gaten, in plaats van elektronen, als drager van de spin dienen. Daar is gewerkt aan een twee-qubit-logische poort die via shuttling twee spin-qubits verbindt die niet rechtstreeks naast elkaar liggen, een stap die relevant is voor grotere, minder dicht opeengepakte qubit-rasters.
Ook chipfabrikant Intel volgt en ondersteunt dit onderzoeksveld, onder meer via samenwerkingen met academische groepen aan siliciumgebaseerde spin-qubitchips, als onderdeel van een bredere strategie om spin-qubits op te schalen met bestaande halfgeleiderfabricage. Concrete, gepubliceerde shuttling-resultaten van Intel zelf zijn echter schaarser dan die van de academische groepen hierboven.
Hoe ver is de techniek?
Spin-shuttling bevindt zich nog stevig in de onderzoeksfase. De ontwikkeling ging de afgelopen jaren van eenvoudige ladingstransport-experimenten naar demonstraties waarbij de spin-toestand zelf coherent, dat wil zeggen met behoud van de kwantuminformatie, over afstanden van enkele tot enkele tientallen micrometers kon worden verplaatst. Onderzoeksgroepen rapporteren fidelities, een maat voor hoe nauwkeurig de spin-toestand behouden blijft, die richting de 99 procent en hoger gaan voor kortere trajecten, al lopen de gerapporteerde waarden tussen experimenten uiteen en dalen ze doorgaans naarmate de afstand en snelheid toenemen.
De belangrijkste obstakels zijn technisch van aard: ruis in de elektrische omgeving van de chip, trillingen in het kristalrooster, en in silicium specifiek de eerder genoemde valleitoestanden, die allemaal kleine foutjes in de spin kunnen veroorzaken tijdens de rit. Ook het maken van lange, uiterst uniforme rijen elektroden, en het aansturen daarvan met voldoende precieze, snel wisselende spanningen, is een aanzienlijke technische opgave. Er bestaat vooralsnog geen kwantumcomputer die shuttling daadwerkelijk gebruikt in een werkende, foutgecorrigeerde berekening; het gaat om losse proof-of-concept-experimenten in laboratoria.
Toch is de vooruitgang de afgelopen vijf jaar duidelijk zichtbaar, van eerste ladingsverplaatsing naar coherent spin-transport over steeds grotere afstanden en met steeds hogere betrouwbaarheid. Onderzoekers zien dit als een veelbelovende, maar nog geenszins bewezen, route naar opschaling, naast alternatieven zoals koppeling via supergeleidende resonators of fotonische verbindingen.
Wie werken eraan?
Duitsland speelt een prominente rol via de RWTH Aachen University en het Forschungszentrum Jülich, die samenwerken binnen het JARA-instituut voor kwantuminformatie en gelden als koplopers op het gebied van conveyor-mode shuttling in silicium-germanium. In Nederland is QuTech, de gezamenlijke kwantumonderzoeksinstelling van de TU Delft en TNO, actief met spin-qubits in germanium en shuttling-gebaseerde poorten. In de Verenigde Staten heeft Princeton University met de groep van Jason Petta baanbrekend werk verricht aan vroege shuttling-experimenten in silicium.
Ook Franse onderzoeksinstituten zoals CEA-Leti in Grenoble werken aan siliciumgebaseerde spin-qubits en aanverwante schaaltechnieken, terwijl chipbedrijf Intel als industriële partner betrokken is bij verschillende academische samenwerkingen rond siliciumspinqubits. Veel van dit werk wordt mede gefinancierd vanuit Europese kwantumprogramma's en nationale onderzoeksinitiatieven in Duitsland en Nederland, die spin-qubits zien als een kansrijke, met bestaande chipfabrieken compatibele route naar praktische kwantumcomputers.