Onderzoekers van het Delftse QuTech hebben een schakeling van twee quantum-bits gepresenteerd die werkt bij de voor zulke qubits ongebruikelijk hoge temperatuur van ruim 1 kelvin (K). Dat is een doorbraak, want boven de 1 K-drempel wordt het veel gemakkelijker om vele qubits te combineren tot een krachtige quantumcomputer.

Bovendien lanceerde QuTech als eerste in Europa een voor iedereen toegankelijke online quantumcomputer van twee qubits. De hardware is naar keuze de nieuwe warme chip of een supergeleidende versie. Via het platform qutech.nl/quantum-inspire kunnen gebruikers oefenen met het programmeren van de chips.

Qubits zijn de speciale bits waarmee de quantumcomputer werkt en die niet alleen 0 of 1 kunnen zijn, maar ook 0 en 1 tegelijk. Het type qubit waarmee QuTech – een samenwerkingsverband van de TU Delft en TNO – werkte, is de zogeheten quantumdot: een afzonderlijk elektron, dat met elektromagnetische velden gevangen wordt gehouden op een vaste plek binnen een chip van silicium. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen woensdag in het tijdschrift Nature.  

Het elektron is een tolletje dat in twee richtingen kan draaien, die als ‘0’ en ‘1’ worden aangeduid. Normaal voor qubits in silicium is dat ze moeten worden gekoeld tot een temperatuur van hoogstens 0,02 kelvin – slechts 0,02 graad boven het absolute nulpunt.
 

Geïntegreerde circuits

De twee Delftse qubits werken samen als een elementaire logische schakeling, de zogeheten Controlled NOT (CNOT). Om een quantumcomputer van behoorlijke capaciteit te bouwen, moet het mogelijk worden om verscheidene van zulke schakelingen te integreren op één chip.

‘Nu zit elke qubit in een afzonderlijke chip met een eigen kabeltje naar de aansturende elektronica’, legt onderzoeksleider Menno Veldhorst uit. ‘Als er echt veel qubits zijn, wordt dat te onhandig en vraagt het te veel koelvermogen. Daarom moeten we over op geïntegreerde quantumcircuits, net zoals de conventionele elektronica rond 1960 de overstap naar geïntegreerde circuits heeft gemaakt.’

Maar zolang de qubits bijna tot het absolute nulpunt moesten worden gekoeld, was dat niet mogelijk: een chip met meerdere qubits zou te warm worden. De Delftse onderzoekers zijn er nu in geslaagd een CNOT-schakeling te maken die werkt bij 1,1 kelvin, een vijftig keer zo hoge temperatuur. Hoe koud ook voor mensen, voor qubit-begrippen is dat bijna gloeiend heet. Veldhorst: ‘Daarmee is de weg naar geïntegreerde quantumcircuits in principe vrij. En de koeling daarvan kan gebeuren met compacte apparatuur die geen groot vermogen vraagt. Temperaturen rond 1 kelvin zijn namelijk een stuk gemakkelijker te bereiken dan rond 0,02 kelvin.’

Infographic over de voortgang van qubits in silicium. In 2015 (Veldhorst et al. Nature, 2015) werden voor de eerste keer quantumoperaties uitgevoerd met twee qubits in silicum. Nu kunnen deze operaties uitgevoerd worden boven een temperatuur van 1 kelvin (Petit et al. Nature, 2020). Dat maakt het mogelijk om chips te maken waarop de qubits en de elektronica zijn geïntegreerd. Klik op de figuur voor een vergroting.


Samen met Intel

Het onderzoek gebeurde in nauwe samenwerking met chipfabrikant Intel, waarmee QuTech vorig jaar een tienjarig partnerschap afsprak. ‘Intels bijdrage was een belangrijke factor om voor het eerst de barrière van 1 kelvin te kunnen slechten’, zegt Veldhorst. ‘Hun faciliteiten om chips te maken zijn aanzienlijk beter dan die van universiteiten. Zo kunnen ze het SiO2-laagje heel gecontroleerd aanbrengen, wat de kans op storingen verkleint. Onze bijdragen bestonden vooral uit nieuwe methodes. Bijvoorbeeld een nieuwe manier om de qubits uit te lezen, want de oude werkt bij de hogere temperatuur niet meer.’

Wat wordt de volgende stap, nog hogere temperaturen? ‘Nee, dat levert weinig extra op nu we toch al in het bereik van de eenvoudige koeling zitten. We gaan wel aan het werk om ook echt chips met meerdere schakelingen erop te ontwikkelen. En er is de nauwkeurigheid: op dit moment gaat 99,3 procent van de logische operaties goed. Dat is al meer dan de 99 procent die nodig is voor een werkende quantumcomputer, maar het mag nog wel wat beter.’


Tekst: Timo Können
 

Illustratie: QuTech-onderzoeker Luca Petit maakte deze artist’s impression van twee samenwerkende, ‘verstrengelde’ qubits met elektroden erboven. Credit: Luca Petit/QuTech