Kwantumgeluid verbindt kwantumapparaten van de toekomst

Natuurkundigen van het Gröblacher-lab van de TU Delft hebben een apparaat gebouwd dat verschillende kwantumapparaten en qubits met elkaar kan verbinden. Het apparaat, een siliciumchip waar trillingen doorheen bewegen, werkt als een netwerk tussen kwantumapparaten.

Voor het eerst zijn wetenschappers in staat zoveel qubits op te slaan als ze maar willen op een zeer compact oppervlak van deze chipsoort.

De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in Science Advances. 

Het netwerk bestaat uit golven die door een kwantumchip reizen. Deze golven worden fononen genoemd; mechanische trillingen in de chip. Fononen zijn nuttige deeltjes om verschillende soorten kwantumapparatuur te koppelen, omdat ze zich kunnen verbinden met bijna alle andere soorten kwantumsystemen, zoals fotonen of elektronen. Je kunt je fononen voorstellen als de trillingen van een trommel.

Veel qubits opslaan

Hoewel onderzoekers eerder de potentie van fononen voor de opslag van kwantuminformatie hebben aangetoond, zijn die systemen meestal vrij moeilijk op te schalen tot meerdere qubits. Bovendien bleven de golven in eerder onderzoek met zich voortbewegende fononen niet goed begrensd op de chip. Met behulp van een golfgeleider slaagden de natuurkundigen er nu in de trillingen langs een nauwkeurig pad in de chip te sturen.

Verschillende quantumapparaten verbinden

Volgens onderzoekers Amirparsa Zivari en Niccolo Fiaschi is het bouwen van een kwantumprocessor en -netwerk uit verschillende soorten kwantumsystemen de meest efficiënte optie. “Zo zou de rekenkracht of CPU van de computer waarschijnlijk kunnen worden gedaan door supergeleidende qubits. Spins – kleine kwantummagneten met een extreem lange levensduur – kunnen juist informatie opslaan en dienen als het geheugen van de computer”, aldus Fiaschi. “Om dat voor elkaar te krijgen zouden we echter het geheugen met de CPU moeten verbinden en verschillende soorten kwantumapparaten en qubits aan elkaar moeten koppelen. Fononen zijn hiervoor een ideale kandidaat.”

Zivari: “Het is erg lastig om twee kwantumapparaten te verbinden zodat ze met elkaar kunnen communiceren, maar dat is wel precies wat we willen doen. Het spannende is dat we nu een stap dichter bij het koppelen van verschillende kwantumapparaten en qubits zijn.” Nu de onderzoeksgroep erin geslaagd is afzonderlijke fononen te besturen en langs een specifiek pad te leiden, bestaan de volgende stappen uit het bouwen van een bundelsplitser om de fononen langs verschillende paden op een chip te leiden, en een phase shifter om de toestand van de fononen te veranderen terwijl ze hun pad afleggen door de chip. “Dat zijn de drie belangrijkste onderdelen die we nodig hebben om fononen volledig te controleren en complexe kwantumexperimenten met fononen op een chip uit te kunnen voeren”, besluit eerste auteur Simon Gröblacher.