Samenspel elektronica en fotonica voor nieuwe kwantumbouwstenen

In een kwantumcomputer zou je eigenlijk elektronica en fotonica willen combineren op dezelfde chip. Helaas gaan licht en silicium niet zo goed samen. Ténzij je germanium aan het silicium toevoegt, in een volledig nieuwe kristalstructuur...

Samenspel elektronica en fotonica voor nieuwe kwantumbouwstenen

Het nieuwe Europese project Onchips, geleid door de Universiteit Twente, richt zich op deze nieuwe ontwikkeling.

Voorspellen wat de leidende technologie gaat worden van de kwantumcomputer is lastig: elke benadering om kwantumbits te maken, heeft voor- en nadelen. De ene is bijvoorbeeld groot, moet extreem worden afgekoeld en is erg gevoelig voor zijn omgeving. De ander is juist wel robuust, maar moeilijk op te schalen naar honderden of duizenden qubits. Daarbij komt dat je eigenlijk zou willen profiteren van de industriële schaal van silicium productietechnologie (CMOS) van ‘gewone’ chips.

In de nieuwe materiaalcombinatie silicium-germanium, komen verschillende voordelen samen. Het materiaal, dat een bijzondere zeshoekige kristalstructuur heeft, is door ‘Physics World’ uitgeroepen tot breakthrough of 2020. De uitvinders van het materiaal, van de TU Eindhoven, maken deel uit van het nieuwe Onchips consortium.

De zeshoekige kristalstructuur van silicium-germanium maakt het mogelijk om silicium licht uit te laten zenden. Daarmee zijn fotonen te koppelen aan elektronen die hun kwantumkwaliteiten danken aan hun spin. Dankzij die uitwisseling zijn de superieure transporteigenschappen van fotonen te combineren met lokale kwantumberekeningen in elektronica, en dat op een chip gebaseerd op CMOS.

Een van de voorwaarden is wel dat de zeskantige kristalstructuur eenvoudiger wordt op te bouwen. Dat het met louter silicium niet lukt, en samen met germanium wel, hangt samen met de directe bandgap die deze combinatie heeft. Een elektron kan direct oversteken van het ene naar het andere energieniveau waarbij licht vrijkomt. ‘Gewoon’ silicium heeft deze directe oversteekplaats niet: de energieniveaus liggen niet boven elkaar.

Samenspel elektronica en fotonica voor nieuwe kwantumbouwstenen
Elektronen bevinden zich in de energieniveaus waarin stroomgeleiding plaatsvindt, de geleidingsband, of in de zogenaamde valentieband. Daartussen zit een verboden gebied, de ‘band gap’. Maar elektronen kunnen wél oversteken, en hierbij wordt licht uitgezonden, een foton. Mits het een directe bandgap is, zoals links op de figuur. In de rechter figuur, een indirecte bandgap, wordt dit al veel complexer.

Hoewel het een aantrekkelijke ‘combinatie van werelden’ is, is het nog wel heel uitdagend om de nieuwe quantum bouwstenen te bouwen, aldus projectleider Floris Zwanenburg: “Ieder voor zich zijn ze nog nooit eerder op deze manier gerealiseerd. De ambitie is dus niet alleen het groeiproces van de kristallen beter onder de knie te krijgen, maar ook de eerste spin qubits te maken in deze technologie, overgangsgebieden te maken tussen deze spin qubits en fotonen, en meer inzicht krijgen in nanostructuren gebaseerd op GeSi.” En dat met het ultieme doel voor ogen, elektronica en fotonica te integreren in één en hetzelfde siliciumsysteem. Zwanenburg leidt Onchips vanuit het Center for Quantum Nanotechnology Twente (Quant dat deel uitmaakt van het MESA+ Instituut van de UT. 

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *