Onderzoekers van het Delftse QuTech presenteren in het vakblad Nature een mijlpaal op het gebied van quantumrekenen. Door twee silicium qubits loepzuiver te koppelen, laten ze zien dat hun techniek klaar is voor opschaling.
Quantumcomputers gaan onze wereld veranderen. Tenminste, dat is de verwachting: een volwassen quantumcomputer zal codes ontrafelen of materiaaleigenschappen doorrekenen waarop de grootste supercomputer zich stukbijt. Voorlopig zitten de wondermachines nog in het lab, maar volgens een nieuwe publicatie in het wetenschappelijke vakblad Nature komt er schot in de zaak.
Bizarre wetten
Quantumcomputers gebruiken de bizarre natuurwetten van de quantummechanica. Daar kunnen deeltjes in verschillende toestanden tegelijk zijn en de informatie die ze dragen zelfs met elkaar verweven. Daardoor valt data sneller en efficiënter te verwerken dan door nullen en eentjes heen en weer te harken in een reguliere computer.
Ruislimiet
De makke is dat qubits, de rekenelementen van quantumcomputers, uiterst storingsgevoelig zijn. Elke ongeplande wisselwerking met de omgeving kan de delicate quantumkoppeling verbreken zodat er informatie weglekt. Zulke foutjes kun je ondervangen met een techniek die surface code heet, als het er ten slotte niet teveel zijn. Wie de benodigde betrouwbaarheid haalt, kan beginnen zijn qubits via surface code aaneen te schakelen tot een echte quantumcomputer.
Hoogleraar Lieven Vandersypen, wetenschappelijk directeur van het onderzoekscentrum QuTech in Delft, een samenwerking tussen TU Delft en TNO: ‘De drempelwaarde om surface code in te zetten ligt rond de 99 procent, ofwel er mag één rekenstap op de honderd misgaan.’
Cover
In Nature presenteren Vandersypen en zijn team vandaag, woensdag 19 januari, een primeur: hun twee gekoppelde qubits op siliciumbasis halen een betrouwbaarheid van 99,6 procent. Nature zette het onderzoek zelfs op de cover, een teken dat het om een wetenschappelijke prestatie van formaat gaat.
Vind je dit een leuk artikel? Abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.
Waterstofmolecuul
Als proof-of-principle rekende het team met zijn mini-quantumcomputer eigenschappen van een waterstofmolecuul (H2) door, het eenvoudigste molecuul dat bestaat. Voor die prestatie was wel een immense hoeveelheid werk nodig, zoals het gebruikte silicium ‘isotopisch zuiver’ maken – siliciumatomen met 29 kerndeeltjes hebben een eigen magneetveld dat de gevangen elektronen in de qubits stoort.
Zuiver genoeg
Vandersypens vakgenoot hoogleraar Floris Zwanenburg (centrum voor quantum-nanotechnologie QUANT aan de Universiteit Twente) is enthousiast over het nieuwe resultaat: ‘Dit werk is nuttig voor het veld en laat zien dat silicium qubits nu zuiver genoeg werken om ze te koppelen via surface code.’
Voordelen van silicium
Qubits op siliciumbasis zijn niet het enige ontwerp waaraan gewerkt wordt; die van Google zijn bijvoorbeeld gemaakt van supergeleidend aluminium. Volgens Zwanenburg hebben silicium qubits belangrijke voordelen. Zo is hun quantumtoestand robuuster en zijn ze kleiner: 30 x 30 nanometer, zodat er miljoenen op een computerchip passen. Ook is de techniek voor grootschalige productie al voorhanden in de chipindustrie. QuTech werkt dan ook al samen met Intel aan quantumcomputers.
Handwerk
twee elektronen in een val van silicium, zo dicht
bij elkaar dat ze elkaar direct beïnvloeden.
Bron: Tony Melov / UNSW
Vandersypens team kan weliswaar netjes twee qubits koppelen, maar echte quantumcomputers zijn nog ver weg. Voor een universele quantumcomputer heb je minstens honderdduizend qubits nodig, schat de Twentse hoogleraar Zwanenburg.
‘Wat je hier ziet is maanden aan indrukwekkend handwerk om de energietoestand van die twee qubits op elkaar af te stemmen’, legt Zwanenburg uit. ‘Dit laat zien dat silicium qubits nu zuiver genoeg werken voor gebruik in de surface-code-architectuur.’ Prachtig werk dus, maar niet zomaar op te schalen.
Vandersypen zelf ziet het positiever: ‘De toekomst voorspellen is altijd moeilijk, maar over een paar jaar willen we even ver staan als de supergeleidende qubits nu. Daarna denken we makkelijker de obstakels te kunnen overwinnen om miljoenen qubits te koppelen.’
Tekst: Gieljan de Vries
Openingsbeeld: Artistieke impressie van de gekoppelde Delftse qubits: twee elektronen in een val van silicium, zo dicht bij elkaar dat ze elkaar direct beïnvloeden. Illustratie: Marieke de Lorijn
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.