Schaakbordachtige bediening van ‘s werelds grootste rooster van quantum dots

Onderzoekers uit Delft hebben een manier ontdekt om veel quantum dots aan te sturen met slechts een paar controlelijnen, door gebruikt te maken van een schaakbordachtige methode. Dit maakt de bediening mogelijk van het grootste elektrisch bedienbare quantum dot-systeem ooit. 

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

Quantum dots kunnen worden gebruikt als basis voor qubits, de bouwstenen van een quantumcomputer. 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 – een samenwerking tussen de TU Delft en TNO – hebben een vergelijkbare methode ontwikkeld voor het adresseren van quantum dots. Net zoals de locaties van schaakstukken worden geadresseerd met een combinatie van letters (A tot H) en cijfers (1 tot 8), kunnen de quantum dots 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 quantum dots in een 4×4 array mogelijk.

Eerste auteur Francesco Borsoi legt uit: “Deze nieuwe manier om quantum dots te bedienen is voordelig voor het opschalen naar vele qubits. Als een enkele qubit wordt aangestuurd en uitgelezen met een enkele draad, dan hebben miljoenen qubits miljoenen controlelijnen nodig. Deze aanpak is niet schaalbaar. Als qubits echter bestuurd kunnen worden met ons schaakbordachtige systeem, dan kunnen miljoenen qubits aangesproken worden met ‘slechts’ duizenden lijnen, wat overeenkomt met een verhouding die erg lijkt op die in reguliere computerchips. Deze vermindering in lijnen biedt perspectief voor het opschalen van qubits en betekent een doorbraak voor quantum computers, die uiteindelijk miljoenen qubits nodig zullen hebben.”
 

Kwantiteit en kwaliteit verbeteren

Quantumcomputers zullen niet alleen miljoenen qubits nodig hebben, ook de kwaliteit van de qubits is extreem belangrijk. Laatste auteur en 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 quantum dot-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 quantum technologie.”

Vroege toepassing in quantumsimulatie

Omdat quantum computing zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium bevindt, is het relevant om de snelste route naar een praktisch quantumvoordeel te onderzoeken. Met andere woorden: wanneer zal een quantumcomputer ‘beter’ zijn dan een conventionele supercomputer? Een voor de hand liggend voordeel kan het simuleren van quantumfysica zijn, aangezien de interactie van quantum dots gebaseerd is op de principes van quantummechanica. Het blijkt dat quantum dot systemen zeer effectief kunnen zijn voor quantumsimulaties.

Veldhorst: “In een andere recente publicatie laten we zien dat een rooster van germanium quantum dots kan worden gebruikt voor quantumsimulaties.” Dit werk is de eerste coherente quantumsimulatie 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 quantum computing 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 quantumkoppelingen om nog grotere schakelingen te bouwen.”