Supergeleidende qubits: hoe kleiner hoe beter

Supergeleidende transmon qubits zijn potentiële kandidaten voor het kloppende hart van een toekomstige kwantumcomputer. In de afgelopen jaren is er veel progressie geboekt in het onderzoek naar transmon qubits, door zowel wetenschappelijke onderzoeksgroepen zoals QuTech in Delft, maar ook door onderzoek van grote technologiebedrijven zoals IBM en Google. Hoewel dit type qubits verhoudingsgewijs groot is vergeleken met ‘concurrenten’ zoals kwantumdots, hebben supergeleidende transmon qubits vergeleken met de andere soorten het voordeel dat ze relatief makkelijk kunnen worden opgeschaald naar meerdere samenwerkende qubits.

Het huidige ontwerp van de transmon qubit bestaat uit twee miniscule supergeleidende plaatjes, ongeveer zo groot als een paar haardiktes (100 micrometer), naast elkaar geplaatst op een chip. Op de plaatjes kan een tegengestelde lading worden aangebracht (positief/negatief), maar ze kunnen ook in een kwantumtoestand worden gebracht, waarbij ze beide ladingen tegelijk hebben. Dit is de sleutel tot kwantumrekenen, waardoor bepaalde typen rekenproblemen oplosbaar worden die nu zelfs voor de grootste supercomputers niet bereikbaar zijn.

Nieuw ontwerp

Onderzoekers van de Quantum Nanoscience-groep van Gary Steele vonden een nieuw transmon qubit-ontwerp dat het formaat van de qubit een factor 10 kleiner maakte. Ze plaatsten de twee plaatjes boven elkaar, in plaats van naast elkaar, gescheiden door een vacuüm spleet van slecht 100 nanometer.

"Het voordeel van dit ontwerp is dat de qubit veel compacter is, wat belangrijk kan zijn voor de opschaling van de toekomstig kwantumcomputer. Daarvoor zijn niet een paar, maar vele samenwerkende qubits nodig", stelt Gary Steele. "Een ander voordeel van dit ontwerp: dit type qubits worden aangestuurd met elektrische velden, maar die lekken snel weg naar de omgeving waar ze andere qubits kunnen verstoren. Zeker als supergeleidende kwantumprocessoren compacter gaan worden, wordt dit een probleem. In deze configuratie kunnen we 90% van het elektrische veld concentreren in de vacuüm spleet." De onderzoekers hebben een patent aangevraagd op het ontwerp. 

Boventonen

In eerste instantie was het zoeken naar een nieuwe ontwerp voor een transmon qubit niet het doel van het onderzoek. "Dit experiment hebben we gedaan om de extreme regimes van licht-materie interactie te onderzoeken", zegt Steele. "We hebben de qubit gekoppeld aan microgolf-fotonen, om atomaire natuurkunde te kunnen onderzoeken op zeer fundamenteel niveau. Je kunt zo’n koppeling vergelijken met een snaar van een gitaar. Die heeft een basistoon, maar ook verschillende boventonen. Tot nu toe konden wetenschappers een sterke koppeling met die boventonen niet aantonen in experimenten, wij konden er in dit experiment vier meten. Dit maakte de natuurkundige beschrijving van het experiment zeer uitdagend en grensverleggend.

Het onderzoek is mede mogelijk gemaakt door NWO en de European Research Council (ERC). Het onderzoek vond plaats onder leiding van Sal Bosman, promovendus in de groep van Gary Steele. Bosman is ook de oprichter van technostarter Delft Circuits, dat zich richt op technologieontwikkeling voor kwantumcomputers en gehuisvest is in de Delftse incubator Yes!Delft.

Wetenschappers van de TU Delft publiceerden hun onderzoek in Nature Partner: Multi-mode ultra-strong coupling in circuit quantum electrodynamics