Qubits en hun besturingselektronica passen bíjna op één chip

Intel en QuTech hebben een geïntegreerd circuit ontwikkeld dat bij extreem lage temperaturen werkt en qubits kan aansturen. Dit maakt de weg vrij voor de integratie van qubits en hun besturingselektronica op één chip.

De onderzoekers presenteerden hun resultaten tijdens de ISSCC conferentie in San Francisco.

De kwantuminformatie die is opgeslagen in qubits kan snel vervallen en onbruikbaar worden, tenzij de qubits worden afgekoeld tot temperaturen die zeer dicht bij het absolute nulpunt liggen. Om deze reden werken qubits meestal in speciale koelkasten bij temperaturen tot 0,01 K. De qubits worden echter gecontroleerd door conventionele elektronica - die bij kamertemperatuur werkt.

Er is op dit moment per qubit één draad nodig om deze te verbinden met de besturingselektronica. Dit is goed te doen voor het kleine aantal qubits dat nu in gebruik is, maar onpraktisch voor de miljoenen qubits die nodig zijn voor toekomstige kwantumcomputers.

De onderzoekers hebben hun resultaat, een geïntegreerd circuit, vernoemd naar één van de koudste plekken in Oregon: Horse Ridge. Teamleider Fabio Sebastiano van QuTech: "We hebben een CMOS-geïntegreerd circuit ontworpen en gefabriceerd dat tot 128 qubits kan aansturen. Het circuit kan bij 3 K werken; het is dus een cryo-CMOS-circuit."

Geïntegreerd circuit en qubit

De onderzoekers toonden experimenteel de goede werking van het geïntegreerde circuit aan en lieten zien dat Horse Ridge een echte spin qubit aan kan sturen. Sebastiano: "Dit is het meest complexe cryo-CMOS-circuit ooit gepresenteerd, en bovendien de eerste die een spin qubit kan aansturen."

Eén chip

De volgende uitdaging is het dichten van het resterende temperatuurverschil. "Spin-qubits zullen naar verwachting kunnen functioneren bij iets hogere temperaturen dan nu, boven de 1,5 K," vertelt Sebastiano. "Ons cryo-CMOS-circuit werkt nu bij 3 K. Als we dit temperatuurverschil kunnen overbruggen, kunnen we qubits en hun besturingselektronica in hetzelfde pakket of op dezelfde chip integreren. Dit levert een uiterst compact systeem op."