De weg vrij voor spin-qubits in nieuwe quantum chiparchitectuur

Onderzoekers van QuTech hebben een nieuwe chiparchitectuur ontwikkeld die het testen en opschalen van quantumprocessoren op basis van halfgeleider-spin-qubits kan vereenvoudigen. Het platform kan honderden qubits binnen dezelfde testchip karakteriseren onder de bedrijfsomstandigheden die ook in quantumcomputerexperimenten worden gebruikt.

“Met zo’n complexe, nauw volgepakte quantumchip begint het echt te lijken op de traditionele halfgeleiderindustrie”, stelt onderzoeker Giordano Scappucci over Qarpet (Qubit-Array Research Platform for Engineering and Testing) die in Nature Electronics is gepubliceerd,

Onder een microscoop gezien lijkt de structuur van de Qarpet-chip bijna geweven. De fabricage was in feite een stresstest voor de technische mogelijkheden. “Toen ik de eerste ontwerpen maakte, had ik eerlijk gezegd niet verwacht dat ze zouden werken”, zegt Alberto Tosato, die verantwoordelijk was voor de engineering. “Het aantal kruisende elektroden is extreem hoog. Het verlegt de grenzen van nanofabricage, we zagen het als een test die waarschijnlijk zou mislukken. Het was dan ook een zeer bevredigend moment om te zien dat het apparaat bij temperaturen van millikelvin tot leven kwam.”

Het apparaat is ontworpen om een belangrijke uitdaging voor kwantumtechnologieën aan te pakken: hoe kunnen grote aantallen qubits efficiënt worden geëvalueerd, vooral nu er apparaten met miljoenen kwantumbits worden ontwikkeld? “Het bouwen van een grootschalige kwantumprocessor is niet alleen een kwestie van meer qubits toevoegen”, zegt hoofdonderzoeker Giordano Scappucci. “Om vooruitgang te boeken, moeten we begrijpen hoe qubits statistisch presteren, hoe uniform ze zijn, hoe veel ruis ze produceren en hoe deze eigenschappen variëren binnen een chip.”

Tegels als basis voor schaalbare metingen

In plaats van elke qubit afzonderlijk te fabriceren en testen, is Qarpet opgebouwd uit een raster van herhaalbare ‘tegels’. Elke tegel bevat twee spinqubits en één ladingssensor. Deze opzet vormt een zelfstandig meetbare eenheid. De tegels zijn gekoppeld in een crossbar-layout, vergelijkbaar met geheugenarchitecturen in klassieke elektronica, waardoor rijen en kolommen gedeelde bedradingslijnen gebruiken. Dankzij dit ontwerp kan elke tegel afzonderlijk worden geselecteerd zonder complexe extra bedrading of cryogene elektronica toe te voegen.

Dit resulteert erin dat het totale aantal controlelijnen langzaam toeneemt naarmate de array groeit — een belangrijke vereiste voor schaalbaarheid.

Demonstratiechip met meer dan duizend qubits

De eerste demonstratiechip is gemaakt van een germanium/silicium-germanium (Ge/SiGe) halfgeleidersysteem met 23 bij 23 tegels, wat theoretisch ruimte biedt voor tot 1.058 hole-spinqubits. Opmerkelijk is dat dit ontwerp met slechts 53 regellijnen werkt — wat de efficiëntie van de crossbar-benadering benadrukt.

Volgens Scappucci bereikt de chip een potentiële dichtheid van ongeveer twee miljoen qubits per vierkante millimeter, wat laat zien hoe compact dergelijke spinqubits kunnen zijn. En met de juiste meetinfrastructuur en automatisering zou deze chip al in staat zijn om meer dan duizend qubits in één enkele afkoelcyclus te meten.

Statistische inzichten voor betere reproduceerbaarheid

Met behulp van hoge-frequentie elektrische uitleestechnieken focuste het team op een subset van 40 tegels. Hierbij bleken vrijwel alle tegels aan te spreken en onafhankelijk af te stemmen. Belangrijke parameters zoals drempelspanningen, ladingsruisniveaus en variaties in de quantum-dotvorming werden gemeten en geanalyseerd.

De resultaten toonden een hoge mate van consistentie binnen de array, maar ook kleine variaties die reflecteren hoe materiaal en fabricageprocessen kunnen verschillen. Cruciaal is dat als bewijs van principe werd aangetoond dat de spinqubits functioneren terwijl hun eigenschappen niet worden beïnvloed door de architectuur zelf.

Deze statistische inzichten zijn van belang voor het verbeteren van de reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid van toekomstige kwantumapparaten.

Toekomst: compatibiliteit en automatisering

Doordat het Qarpet-platform modulair is en compatibel met bestaande halfgeleiderfabrikagetechnieken, kan het mogelijk worden aangepast voor andere materiaalsystemen, waaronder silicium-gebaseerde qubits. Het ontwerp leent zich ook voor geautomatiseerde of machine-learning-gestuurde afstemming, wat de optimalisatie kan versnellen.

Scappucci concludeert dat het combineren van een realistische apparaatarchitectuur met de mogelijkheid om zinvolle statistische gegevens uit honderden qubits in één enkel experiment te halen een belangrijke mijlpaal is. Het laat zien dat het bouwen en bestuderen van grote qubit-arrays die nodig zijn voor toekomstige kwantumprocessors al haalbaar is.