Transmon-qubit: het werkpaard van de kwantumcomputer
Stel je een gitaarsnaar voor die maar op twee manieren mag trillen: heel langzaam of iets sneller. Die twee trillingen noem je dan "0" en "1". Een transmon-qubit werkt in de kern net zo, maar dan met elektrische stroom in plaats van een snaar, en gekoeld tot bijna het absolute nulpunt. Het is op dit moment de meest gebruikte bouwsteen voor kwantumcomputers van bedrijven als IBM en Google.
Een qubit is de kwantumversie van een bit, het eenheidje informatie dat een gewone computer gebruikt (een 0 of een 1). Een qubit kan dankzij de kwantummechanica tegelijk een beetje 0 én een beetje 1 zijn, wat kwantumcomputers in theorie geschikt maakt voor bepaalde berekeningen die voor klassieke computers onhaalbaar zijn. Een transmon is een van de manieren om zo'n qubit fysiek te bouwen: als een piepklein elektrisch circuitje op een chip, gemaakt van supergeleidend metaal. Het is dus geen natuurlijk deeltje zoals een elektron, maar een "kunstmatig atoom" dat mensen zelf ontwerpen.
Wat is het precies?
Het hart van een transmon is een zogeheten Josephson-junctie: een minuscule onderbreking in een supergeleidend draadje, met daartussen een dun isolerend laagje. Stroom kan er toch doorheen "tunnelen", een kwantummechanisch verschijnsel. Zo'n junctie gedraagt zich als een soort niet-lineaire spoel en vormt samen met een condensator een elektrisch trillingscircuit, vergelijkbaar met een LC-circuit uit de natuurkundeles, maar dan met kwantumeigenschappen.
Dat circuit heeft, net als een snaar, verschillende trillingsniveaus (energieniveaus). Alleen de twee laagste niveaus worden gebruikt als de 0 en de 1 van de qubit. De hogere niveaus zijn ongewenst "lekbakjes" waar de informatie per ongeluk in kan wegvallen.
De naam "transmon" staat voor transmission line shunted plasma oscillation qubit: een qubit waarbij de trilling (plasma-oscillatie) van de Josephson-junctie wordt "geshunt" (parallelgeschakeld) met een grote condensator, vaak gekoppeld aan een transmissielijn voor uitlezing. Die grote condensator is de belangrijkste vinding: hij maakt de verhouding tussen twee energiegrootheden, de Josephson-energie (EJ) en de ladingsenergie (EC), veel groter dan bij eerdere ontwerpen.
Waarom is dat belangrijk? De voorloper van de transmon, de zogeheten Cooper-pair box, was extreem gevoelig voor toevallige lading in het materiaal rondom de chip: "ladingsruis". Die ruis verstoorde de qubit voortdurend en maakte hem onbruikbaar op langere termijn. Door de EJ/EC-verhouding te vergroten, wordt de transmon exponentieel minder gevoelig voor die ladingsruis, ten koste van een klein beetje verlies aan "anharmoniciteit" (het verschil tussen de energieniveaus), wat met slim ontwerp goed te overzien is. Deze truc, bedacht in 2007 door een groep aan Yale University rond Robert Schoelkopf, Michel Devoret, Steven Girvin en Jens Koch, maakte supergeleidende qubits ineens veel praktischer.
Om te werken moet een transmonchip afgekoeld worden tot temperaturen van een paar tiental millikelvin, kouder dan de lege ruimte tussen sterren. Dat gebeurt in een zogeheten verdunningskoelkast (dilution refrigerator), een groot, gouden, kroonluchterachtig apparaat dat vaak op foto's van kwantumcomputers te zien is. Zonder die extreme kou zou willekeurige warmtetrilling de kwantuminformatie direct vernietigen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is een kwantumcomputer die taken kan uitvoeren waar klassieke supercomputers onpraktisch lang over doen: het simuleren van moleculen en materialen voor nieuwe medicijnen of batterijen, het optimaliseren van complexe logistieke problemen, en bepaalde vormen van cryptografie en codekraken. De transmon is daarbij niet het einddoel, maar één kandidaat-bouwsteen om dat te bereiken.
De transmon is populair omdat hij relatief goed te maken is met bestaande chipfabricagetechnieken, redelijk snel te bedienen is met microgolfpulsen, en beter bestand is tegen storingen dan zijn voorlopers. Dat maakt hem aantrekkelijk voor bedrijven die snel willen opschalen naar chips met honderden of duizenden qubits.
Een tweede, minstens zo belangrijk doel is het perfectioneren van kwantumfoutcorrectie: technieken om de onvermijdelijke fouten van individuele, wankele qubits te compenseren door veel fysieke qubits samen één stabiele "logische" qubit te laten vormen. Transmons worden veel gebruikt als testbed voor die foutcorrectietheorieën, omdat ze zich goed lenen voor herhaalbare experimenten met grote aantallen identieke qubits op één chip.
Voorbeelden uit de praktijk
Yale University, 2007: hier werd de transmon voor het eerst voorgesteld en experimenteel gedemonstreerd, in het onderzoek dat aan de basis staat van vrijwel alle latere supergeleidende kwantumchips.
Google Sycamore, 2019: een chip met 53 transmon-qubits waarmee Google claimde een specifieke, weinig praktische rekentaak sneller te hebben uitgevoerd dan de snelste supercomputer ter wereld dat zou kunnen. Deze claim van "kwantumsupremie", gepubliceerd in het tijdschrift Nature, werd later door critici genuanceerd, maar gold als een belangrijke technische mijlpaal voor transmon-chips.
IBM's chip-reeks, 2021-2023: IBM volgt een openbare roadmap met steeds grotere transmonchips: Eagle (127 qubits, 2021), Osprey (433 qubits, eind 2022) en Condor (ruim duizend qubits, eind 2023). Later schoof IBM de nadruk deels van kale qubit-aantallen naar kwaliteit, met de Heron-chip die minder qubits heeft maar betere prestaties per qubit.
Google Willow, december 2024: Google presenteerde een nieuwe chip waarmee voor het eerst overtuigend werd aangetoond dat kwantumfoutcorrectie echt beter wordt naarmate je meer fysieke qubits per logische qubit gebruikt, een resultaat dat lang als een cruciale drempel ('below threshold') voor bruikbare kwantumcomputers werd gezien.
QuTech, TU Delft: in Nederland werkt de onderzoeksgroep van Leonardo DiCarlo aan TU Delft, onderdeel van kwantuminstituut QuTech, al jaren aan transmon-gebaseerde processors en foutcorrectie-experimenten, naast het spin-qubit- en topologische-qubitonderzoek waar QuTech ook bekend om staat.
Hoe ver is de techniek?
De afgelopen vijftien jaar is de kwaliteit van transmon-qubits enorm verbeterd: de tijd dat een qubit zijn kwantuminformatie vasthoudt (de zogeheten coherentietijd) is gegroeid van microseconden naar honderden microseconden en in laboratoria soms naar de eerste milliseconden. Ook de betrouwbaarheid van individuele rekenoperaties (gate-fidelity) ligt bij de beste systemen boven de 99,5 procent voor operaties met twee qubits.
Toch zijn er nog stevige obstakels. Elke extra qubit brengt eigen bekabeling, sturing en koeling met zich mee, en dat wordt bij duizenden qubits een serieus technisch en logistiek probleem: er is simpelweg te weinig ruimte en te weinig koelvermogen in een verdunningskoelkast voor onbeperkt veel draden. Onderzoekers werken daarom aan geïntegreerde besturingschips en optische of microgolf-multiplexing om dit "bedradingsprobleem" op te lossen.
Ook blijven qubits onderling elkaar storen (crosstalk), en blijft foutcorrectie duur: om één stabiele logische qubit te maken zijn, afhankelijk van de gekozen foutcorrectiecode en de kwaliteit van de fysieke qubits, al gauw enkele tientallen tot honderden fysieke transmon-qubits nodig. Een kwantumcomputer met werkelijk praktisch nut, groot genoeg en foutbestendig genoeg voor complexe toepassingen, wordt door de meeste experts nog op zeker vijf tot vijftien jaar geschat, met de nodige onzekerheid over dat tijdpad.
Wie werken eraan?
IBM en Google zijn de bedrijven met de grootste, meest zichtbare transmon-programma's en publiceren regelmatig nieuwe chipgeneraties. Rigetti Computing, een Amerikaans bedrijf, bouwt eveneens transmon-gebaseerde kwantumprocessors en biedt cloudtoegang aan. Het Finse IQM, voortgekomen uit onderzoek aan Aalto University, richt zich op transmon-systemen voor industriële en wetenschappelijke klanten in Europa.
Op onderzoeksvlak blijft Yale University, waar de transmon is uitgevonden, een belangrijk centrum, samen met onder meer ETH Zürich in Zwitserland. In Nederland is QuTech, een samenwerking tussen TU Delft en onderzoeksinstituut TNO, actief op dit gebied. Verder investeren de Verenigde Staten via het National Quantum Initiative, de Europese Unie via het Quantum Flagship-programma, en China via eigen nationale kwantumonderzoeksprogramma's fors in supergeleidende kwantumtechnologie, naast onderzoek naar alternatieve qubit-typen zoals ionenvallen en fotonische qubits.