Elektronica bevriezen om diamant-spin-qubits te besturen

Onderzoekers van Fujitsu en QuTech hebben ultrakoude elektronische circuits ontwikkeld om op diamanten gebaseerde kwantumbits te besturen. Dit maakt het mogelijk om grotere kwantumcomputers te bouwen, door het ‘bedradingsknelpunt’ te overwinnen, terwijl de prestaties van hoge kwaliteit behouden blijven.

De kwantumbits en de besturingselektronica kunnen volgens de onderzoekers gemakkelijk in één compacte cryogene koelkast worden bediend.

De onderzoekers publiceren hun resultaten deze week op IEEE’s International Solid-State Circuits Conference (ISSCC).

Dicht bij het absolute nulpunt

Op weg naar een functionele kwantumcomputer moeten een aantal uitdagingen worden overwonnen. Eén daarvan is het handhaven van de extreem lage temperatuur waarbij de qubit doorgaans werkt. Qubits maken gebruik van uiterst kwetsbare kwantumeffecten die door veel dingen worden verstoord, zoals zelfs de kleinste hoeveelheid warmte. Daarom worden qubits afgekoeld tot de koudst mogelijke temperaturen, dichtbij het absolute nulpunt: 0 Kelvin (of -273°C).

Het is al een hele prestatie om iets tot zulke temperaturen af te koelen: het zou zonde zijn als tijdens het maken van berekeningen warmte in het hart van een kwantumcomputer zou lekken. Die hitte zou de informatie die een qubit bevatte onmiddellijk vernietigen, waardoor elke kwantumcomputer onbetrouwbaar en onbruikbaar zou worden. Het is nu gebruikelijk om een paar qubits koud genoeg te houden door ze in een kleine cryogene koelkast te plaatsen en ze met een paar draden aan te sluiten op de elektronica buiten de koelkast. Het is echter erg moeilijk om duizenden of zelfs miljoenen geadresseerde qubits af te koelen terwijl er evenveel draden uit de koelkast komen. Zoveel draden tussen de koude qubits en de elektronica op kamertemperatuur hebben een dramatische invloed op de betrouwbaarheid, de productie en de grootte van het apparaat.

Waarom bevriezen we niet de hele computer?

Dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan, aangezien de meeste geïntegreerde schakelingen zijn gebouwd om alleen omgevingstemperaturen van -40 °C tot +125 °C te weerstaan, temperaturen die veel hoger zijn dan de typische temperatuur van de qubit. Maar dit is precies wat onderzoekers en ingenieurs deden. Ze gebruikten cryo-CMOS-hardware om de extreme temperaturen van een qubit-koelkast te weerstaan, zonder dat dit ten koste ging van de prestaties van het hele systeem en de schaalbaarheid ervan.

Hoofdonderzoeker Fabio Sebastiano: “Bij het ontwerpen van elektrische systemen is er altijd een balans tussen prestatie en vermogen: de toename van het één betekent een afname van het andere. Onze uitdaging is het verkrijgen van hoge prestaties, zonder daarbij het stroomverbruik te beperken. Dit is van cruciaal belang omdat te veel stroom de cryogene koelkast die wordt gebruikt om het systeem op een lage temperatuur te houden, kan oververhitten. We hebben specifieke cryogene elektronische controllers (cryo-CMOS-controllers) gebruikt om het knelpunt in de interconnectie te verminderen: nu hebben we minder draden nodig om de cryogene koelkast binnen te gaan, wat de schaalbaarheid van de hele kwantumcomputer enorm vergroot.”

Hoofdonderzoeker Masoud Babaie voegt hieraan toe: “Om cryo-CMOS-controllers verder te verfijnen, is een gecombineerde ontwerpaanpak van elektronica en kwantumprocessors nuttig. Het gaat hierbij om het strategisch indelen en koppelen van qubits aan de controllers. Het aanpakken van elk kwantumplatform vereist een zorgvuldig onderzoek van de signaalbehoeften en controlleroptimalisatie voor schaalbaarheid, waarbij de nadruk ligt op het verminderen van het stroomverbruik en de fysieke omvang. Dit is essentieel voor de ontwikkeling van grotere kwantumcomputers.”

Shintaro Sato, hoofd van het Quantum Laboratory bij Fujitsu: “Bekabeling tussen besturingscircuits en qubits is een veelvoorkomend probleem bij het opschalen van kwantumcomputers. Resultaten van ons gezamenlijke onderzoek benadrukken het potentieel van cryo-CMOS-technologie voor diamant-spin-qubits om dit knelpunt te overwinnen. We verwachten dat de nieuwe technologie ons in staat zal stellen de hoge schaalbaarheid te bereiken die verwacht wordt in kwantumcomputers met behulp van diamant-spin-qubits.”

Van spin-qubits naar diamanten

Eerder bereikten de onderzoekers een cryogene controller voor spinqubits in silicium. Hoewel deze spinqubits (in principe) samen met de cryogene elektronica kunnen worden vervaardigd in een standaard geïntegreerd circuitproces (bijvoorbeeld CMOS), hebben de hier gebruikte diamantqubits nog verschillende andere voordelen. Ze hebben een betere betrouwbaarheid, ze kunnen gemakkelijker op afstand met elkaar worden verbonden, waardoor er ruimte ontstaat voor elektronica in de buurt, en ze kunnen bij (relatief) hogere temperaturen werken. De hogere bedrijfstemperatuur is vooral relevant voor de elektronica, omdat werken bij 1 Kelvin (-272,15°C) moeilijk maar eenvoudiger is dan werken bij 0,020 Kelvin.

Volgende stappen

De onderzoekers werken al aan de volgende stappen door alle overige benodigde functionaliteiten toe te voegen, zoals het uitbreiden van 1-qubit-operatie naar 2-qubit-operaties en het implementeren van de qubit-uitleesfunctionaliteit, en door in het algemeen op te schalen naar grotere kwantumprocessors.