Schaakbordachtige bediening van ‘s werelds grootste rooster van kwantumdots

Bij QuTech is een manier ontdekt om veel kwantumdots aan te sturen met slechts een paar controlelijnen. Dit maakt de bediening mogelijk van het grootste elektrisch bedienbare kwantumdot-systeem ooit.

Het resultaat is een stap in de ontwikkeling van schaalbare systemen voor praktische kwantumtechnologie. De onderzoekers publiceren hun resultaten in Nature Nanotechnology.

Kwantumdots kunnen worden gebruikt als basis voor qubits, de bouwstenen van een kwantumcomputer. Op dit moment heeft elke qubit zijn eigen adresseerlijn en speciale besturingselektronica nodig. Dat is zeer onpraktisch en staat in schril contrast met de huidige computertechnologie, waar miljarden transistors worden aangestuurd met een paar duizend lijnen.

Adresseren als een schaakbord

Onderzoekers van QuTech hebben nu een vergelijkbare methode ontwikkeld voor het adresseren van kwantumdots. Net zoals de locaties van schaakstukken worden geadresseerd met een combinatie van letters (A tot H) en cijfers (1 tot 8), kunnen de kwantumdots van de Delftse onderzoekers worden geadresseerd met een combinatie van horizontale en verticale lijnen. Deze benadering tilt de state-of-the-art naar een hoger niveau en maakt de bediening van een systeem met 16 kwantumdots in een 4×4 array mogelijk.

Eerste auteur Francesco Borsoi: “Deze vermindering in lijnen biedt perspectief voor het opschalen van qubits en betekent een doorbraak voor kwantum computers, die uiteindelijk miljoenen qubits nodig zullen hebben.”

Kwantiteit en kwaliteit verbeteren

Ook de kwaliteit van de qubits is belangrijk. Hoofdonderzoeker Menno Veldhorst: “Onlangs nog hebben we aangetoond dat dit soort qubits met een getrouwheid van 99,992% kunnen werken. Dat is het hoogste voor welk kwantumdot-systeem dan ook en betekent een gemiddelde fout van minder dan 1 per 10.000 operaties. Deze vooruitgang is mogelijk geworden door de ontwikkeling van geavanceerde controlemethoden en door het gebruik van germanium, dat veel gunstige eigenschappen heeft als materiaal voor kwantum technologie.”

Vroege toepassing in kwantumsimulatie

Omdat kwantumcomputing zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium bevindt, is het relevant om de snelste route naar een praktisch kwantumvoordeel te onderzoeken. Met andere woorden: wanneer zal een kwantumcomputer ‘beter’ zijn dan een conventionele supercomputer? Een voor de hand liggend voordeel kan het simuleren van kwantumfysica zijn, aangezien de interactie van kwantumdots gebaseerd is op de principes van kwantummechanica. Het blijkt dat kwantumdotsystemen zeer effectief kunnen zijn voor kwantumsimulaties.

Veldhorst: “In een andere recente publicatie laten we zien dat een rooster van germanium kwantumdots kan worden gebruikt voor kwantumsimulaties.” Dit werk is de eerste coherente kwantumsimulatie die gebruik maakt van standaard materialen voor halfgeleiderfabricage. Veldhorst: “We zijn in staat om rudimentaire simulaties uit te voeren van resonerende valentiebindingen”. Hoewel dit experiment alleen gebaseerd was op een klein systeem, kan het uitvoeren van dergelijke simulaties op een groot systeem antwoord geven op openstaande vragen in de natuurkunde.

Toekomstig werk

Veldhorst concludeert: “Het is spannend om te zien dat we verschillende stappen hebben gezet in het opschalen naar grotere systemen, het verbeteren van de prestaties en het verkrijgen van mogelijkheden in kwantumcomputing en simulaties. Een open vraag blijft hoe groot we deze schaakbordachtige systemen kunnen maken, en in het geval er een limiet is, of we er veel van kunnen verbinden met behulp van kwantumkoppelingen om nog grotere schakelingen te bouwen.”