TU/e bouwt eigen kwantumcomputer

De Nederlandse overheid heeft in 2020 23,5 miljoen euro toegezegd voor kwantuminnovatie, een investering die wordt gecoördineerd door QuantumDeltaNL. Een deel van deze financiering zal worden gebruikt voor de bouw van de computer.

Het bouwen van een succesvolle kwantumcomputer zit vol uitdagingen. Eerst moet een ontwerp worden overwogen, geëvalueerd en herzien. Zodra een kwantumcomputerontwerp theoretisch is bevestigd, is de volgende stap het daadwerkelijke bouwen van het ontwerp. Dit vereist bepaalde materialen die onder specifieke omstandigheden moeten worden opgeslagen, en zoals dat kan nogal problematisch zijn.

In magnetische opslagapparatuur of halfgeleidermaterialen in klassieke computers worden bits voorgesteld als kleine staafmagneten of een geheugencel die respectievelijk uit een of meerdere transistors bestaat. Bij magnetische materialen kunnen de kleine staafmagneten omhoog of omlaag wijzen, waarbij deze toestanden 1 of 0 vertegenwoordigen.

Om qubits te maken moet je daarentegen kijken naar de atomaire schaal, meer specifiek de elektronen die om de atoomkern draaien. "Atomen zijn de perfecte qubits omdat ze allemaal hetzelfde zijn. Bovendien geven ze ons toegang tot twee bepaalde toestanden – spin-up en spin-down – die verbonden zijn met elk elektron dat om de kern draait", zegt directeur Servaas Kokkelmans van het Center for Quantum Materials and Technology Eindhoven (QT/e). "Echter kunnen alleen bepaalde atomen als qubits worden gebruikt, en om te zorgen dat ze stabiel blijven voor een hybride quantumcomputer, moeten deze atomen bovendien ultrakoud zijn."

Ultrakoude Rydberg-atomen zullen dienen als een van de twee qubit-toestanden.

Het koelen van de juiste qubits

Alleen bepaalde atomen zijn geschikt om als qubits te worden gebruikt. Met één elektron in een baan om zijn kern lijkt waterstof misschien de perfecte qubit. Niets is minder waar. "Een van de redenen dat waterstof niet wordt gebruikt is dat het heel moeilijk is om af te koelen en te vangen. Veel mensen hebben dit geprobeerd in het laboratorium", zegt Kokkelmans.

Passende qubit-atomen liggen elders in het periodiek systeem in de vorm van rubidium (Rb) en strontium (Sr), die respectievelijk in de eerste en tweede kolom van het periodiek systeem te vinden zijn. Kokkelmans en zijn collega’s hebben veel ervaring met het werken met rubidium voor kwantumapparaten, maar het is niet het perfecte qubit-atoom. "Rubidium is een zwaar atoom en gemakkelijk af te koelen, maar er zijn problemen met de getrouwheid – dat is een maatstaf voor hoe dicht je quantumsysteem bij de gewenste kwantumtoestand is."

Het alternatief is het gebruik van strontiumatomen. "Strontiumatomen zijn moeilijker te hanteren of te koelen in vergelijking met rubidiumatomen, maar ze hebben een betere getrouwheid dan rubidiumatomen. Om deze reden kunnen we proberen het atoom te veranderen en onze hybride kwantumcomputer te bouwen met behulp van ultra-koude, strontiumatomen", zegt Kokkelmans.

Contra-intuïtief worden er lasers gebruikt om atomen extreem te koelen, tot temperaturen in het microkelvin-gebied. Kokkelmans heeft een mooie analogie om het gebruik van lasers in de koeling te verklaren. "Stel je een atoom voor als een voetbal, en dat de laser fotonen uitzendt die je kunt zien als kleine pingpongballetjes. Als we lasers vanuit verschillende richtingen op een atoom schijnen, raken de fotonen het atoom vanuit alle richtingen. Het gevolg is dat het atoom in alle richtingen wordt vertraagd en vervolgens wordt opgesloten in een ultrakoude optische val."

Kwantum decoherentie: de vijand

Naast om te koelen worden lasers ook gebruikt om atomen op te wekken tot zogenaamde ‘Rydberg-toestanden’, wat nodig is om de interactie tussen naburige qubits te bevorderen.

In een kristallijne vaste stof liggen de atomen heel dicht bij elkaar en kunnen ze elkaar de hele tijd voelen of op elkaar reageren. Deze opstelling zou niet werken voor een verzameling qubit-atomen, omdat het dan bijna onmogelijk is om de afzonderlijke atomen met behulp van lasers te isoleren.

Als onderdeel van hun werk maken Kokkelmans en zijn medewerkers kunstmatige kristallen waarbij de atomen in een regelmatig raster worden gerangschikt met behulp van een optisch pincet – een andere term voor een gefocuste laser die gebruikt wordt om een atoom vast te houden. De atomen liggen echter veel verder uit elkaar dan in een normaal kristal. Ze gebruiken een speciale truc om de atomen elkaar te laten voelen. "We prikkelen de atomen naar Rydberg-toestanden. Hierdoor kunnen we de atomen ver genoeg uit elkaar houden zodat ze geïsoleerd zijn, maar als ze geprikkeld zijn, kunnen ze elkaar nog steeds voelen."

De stabiliteit van de kwantumtoestand van de ultrakoude qubits kan door vele factoren worden beïnvloed. Externe warmte of trillingen kunnen de ultra-koude qubits verstoren, terwijl de betrouwbaarheid van de lasers die gebruikt worden om de atomen vast te houden en te manipuleren een negatief effect kan hebben. Dit kan leiden tot kwantumdecoherentie van de qubits, waardoor de superpositie en verstrengeling van de qubit-kwantumtoestanden begint te verdwijnen.

"Je kunt kwantumdecoherentie zien als de vijand van de kwantumcomputer, en dit is iets waar we ons echt zorgen over moeten maken," zegt Kokkelmans. In principe is het mogelijk om voor deze effecten te corrigeren met kwantumfoutcorrectie, waarbij extra qubits worden gebruikt om eerdere kwantumtoestanden op te slaan.

De drempels voor de toepassing van deze technieken zijn echter vrij hoog, en onderzoekers wereldwijd zijn nog ver verwijderd van de implementatie ervan. Dit is typerend voor het huidige tijdperk van de kwantumberekening, dat bekend staat als het Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) regime. Dit verwijst naar qubit-apparaten die onderworpen zijn aan decoherentie zonder foutcorrectie, die op de drempel staan om kwantumversnelling aan te tonen ten opzichte van klassieke computers.

Hybride kwantumcomputer – het beste van twee werelden

Zodra een betrouwbare en stabiele methode voor het opslaan van ultrakoude strontiumatomen en het isoleren van qubits is ontwikkeld, zullen Kokkelmans en zijn collega’s van QT/e en QuantumDeltaNL hunkwantum-qubit-apparaat met qubits van hoge getrouwheid hebben, zij het zonder kwantumfoutcorrectie. Zij kunnen dan de volgende stap zetten om dit apparaat te combineren met een klassieke computer om een hybride kwantumcomputer te maken.

"Een hybride kwantumcomputer maakt gebruik van het beste van beide werelden, omdat hij probeert de beste onderdelen van een kwantumapparaat en een klassieke supercomputer te laten samenwerken", zegt Kokkelmans. In een hybride kwantumcomputer zal het kwantumapparaat fungeren als een kwantum co-processor die samenwerkt met een klassiek apparaat, inclusief circuits voor controle en pre- en post-processing. Bovendien zijn de algoritmen die op een hybride kwantumcomputer draaien robuuster wat betreft decoherentie, waardoor er minder behoefte is aan kwantumfoutcorrectie.

Plannen

De plannen zijn klaar. "We zijn bezig met het herontwerpen van onze opstelling met behulp van qubits op basis van strontiumatomen, en we streven ernaar om in 2024 volledig operationeel te zijn. Dan sluiten we ons apparaat aan op het Quantum Inspire network, wat betekent dat iedereen kwantumcode op het hybride apparaat kan draaien", licht Kokkelmans toe.

De computer zal open source zijn en voor iedereen beschikbaar. Mensen kunnen zelf bepalen welk type berekening ze op Quantum Inspire willen uitvoeren en op welk kwantumplatform. Onderzoekers kunnen er bijvoorbeeld voor kiezen om chemische of materiaalkundige berekeningen uit te voeren op de Eindhovense kwantuminfrastructuur.