QuTech ontwikkelt nieuw soort kwantumprocessor

Het onderzoek is gepublceerd in Nature.

Waar huidige kwantumapparaten over tientallen qubits beschikken, zal een toekomstige kwantumcomputer waarschijnlijk uit miljoenen tot miljarden qubits bestaan. Omdat ze met standaard halfgeleidertechnologie kunnen worden gedefinieerd, dragen kwantumdotqubits de belofte van schaalbaarheid in zich. Menno Veldhorst: "Door vier van zulke qubits in een twee-bij-twee raster te plaatsen, aan te tonen dat we hier universele controle over hebben, en berekeningen uit te voeren die alle qubits met elkaar verstrengelen, hebben we een belangrijke stap gezet richting schaalbare kwantumberekeningen."

Er wordt al twee decennia onderzoek gedaan naar elektronen opgesloten in kwantumdots – halfgeleider structuren van enkele tientallen nanometers groot – als platform voor kwantuminformatie. Ondanks alle beloften is twee-qubit logica hiermee tot nu toe het hoogst haalbare gebleken. Om tot een doorbraak te komen besloten de groepen van Veldhorst en Giordano Scappucci tot een geheel andere aanpak, waarbij ze gebruik maken van gaten in germanium. De elektrodes voor het definiëren van de qubits konden door deze aanpak ook gebruikt worden om ze te controleren en te verstrengelen. "Omdat we geen grote structuren aan iedere qubit hoeven toe te voegen zijn onze qubits vrijwel identiek aan de transistoren in een computerchip", zegt promovendus Nico Hendrickx. "We hebben bovendien uitstekende controle over de qubits en kunnen ze aan elkaar koppelen om zo een, twee, drie en vier-qubit logische poorten te programmeren." 

2D is de sleutel

Nadat ze in 2019 de eerste germanium kwantumdotqubit vervaardigden, is het aantal qubits op hun chips elk jaar verdubbeld. "Met vier qubits heb je natuurlijk nog lang geen kwantumcomputer. Maar door de qubits in een twee-bij-twee raster te plaatsen weten we nu hoe we ze in verschillende richtingen kunnen controleren en koppelen." Elke realistische architectuur voor het integreren van grote aantallen qubits gaat ervan uit dat ze in twee dimensies onderling met elkaar verbonden zijn. 

Schematische weergave van de vier-qubit quantumprocessor, gemaakt met halfgeleider fabricagetechnologie.

Germanium als platform

De nu gedemonstreerde vier-qubit logica in germanium is volgens de heren de state-of-the-art wat betreft kwantumdottechnologie en een belangrijke stap richting grote, dicht-opeengepakte tweedimensionale rasters van halfgeleider qubits. Germanium is niet alleen compatibel met geavanceerde halfgeleiderfabricagetechnologie, maar het is ook een veelzijdig materiaal. Veldhorst: "Het heeft fascinerende natuurkundige eigenschappen zoals spin-baan-koppeling en het kan goede verbindingen aangaan met andere materialen, waaronder supergeleiders. Germanium is daarom een uitstekend platform voor verschillende quantumtechnologische toepassingen. Nu we germanium kunnen vervaardigen en de eerste kwantumprocessors hebben gerealiseerd, kunnen we echt op weg naar het maken van veelzijdige germanium kwantumtechnologie."