Onderzoekers van QuTech in Delft zijn erin geslaagd een mini-quantumcomputer te maken van vier qubits uit germanium, met traditionele halfgeleidertechnologie. Dat is niet alleen de eerste vier-bits quantumprocessor op basis van halfgeleiders, maar ook een stap op weg naar schaalbare quantumtechnologie.

Quantumcomputers mogen dan veel efficiënter berekeningen kunnen maken dan gewone computers, je hebt nog steeds veel quantumbits (qubits) nodig die samenwerken op een quantumchip. Tot nu toe bestaan quantumcomputers nog uit enkele tientallen qubits en een schakeling op de chip lukt nog slechts met twee qubits – de zogeheten twee-qubit logica. Voordat we een serieuze quantumcomputer hebben is opschalen hard nodig.

 

Vierbits quantumprocessor

Door een aantal zaken anders aan te pakken hebben onderzoekers van QuTech (een samenwerkingsverband tussen de TU Delft en TNO) een schaalbare qubit-technologie ontwikkeld waarbij ze gebruik maken van standaard halfgeleidertechnologie.

Dat werkte zo goed dat ze binnen twee jaar na de eerste experimenten vier qubits in een raster van 2 bij 2 aan elkaar konden koppelen – een vier-qubit quantumprocessor dus. Het onderzoek staat deze week in het bekende wetenschappelijke tijdschrift Nature.

‘De technologie die wij gebruiken om de qubits te maken is dezelfde technologie die gebruikt wordt om miljarden transistoren te maken’, zegt Menno Veldhorst, die het onderzoek bij QuTech leidde. ‘De gedachte hierachter is dat grote chipfabrikanten qubits kunnen gaan maken met dezelfde materialen en technieken waarmee ze nu de gewone computer maken.’

 

Qubits van gaten

Die technologie klinkt simpel: de onderzoekers beginnen met een transistor, een stukje halfgeleider waar heel veel elektronen doorheen stromen. Door steeds minder elektronen te laten stromen blijft er uiteindelijk maar één over, opgesloten in een quantumdot, het ‘doosje’ waarin de qubit zit.

De onderzoekers maakten een aantal bijzondere keuzes op weg naar hun nieuwe qubit-technologie. Allereerst gebruikten ze niet silicium – het standaardmateriaal voor transistoren – maar het broertje germanium als halfgeleidermateriaal voor de qubits.

Dat leidde meteen tot het tweede grote verschil: de qubits van germanium zijn geen elektronen maar gaten (het klinkt wat exotisch, maar een gat is simpelweg de afwezigheid van een elektron, red.). Die hebben ook een spin, de eigenschap die de qubit een waarde één of nul geeft, maar gaten zijn positief geladen in plaats van negatief zoals elektronen. Het blijkt dat gaten uitstekende eigenschappen hebben om gebruikt te worden als qubit.
 

Tekening van de vier qubits die met elkaar zijn verstrengeld. Illustratie Nico Hendrickx / QuTech


Ordelijk germanium

Veldhorst licht de keuze voor het materiaal toe: ‘De eerste is dat gaten in germanium een sterke spin-baan-koppeling hebben. Door dit kwantummechanische effect is de spin van een gat gekoppeld aan zijn beweging. We kunnen deze beïnvloeden door elektrische spanningen en daardoor heel efficiënt kwantumberekeningen uitvoeren. Normaal gesproken heb je extra structuren nodig om de qubit te bedienen, maar in dit geval kan dezelfde transistor die het gat 'vangt' ook de operatie doen. Ten tweede is de wanorde in germanium heel laag. Dat levert goed gedefinieerde kwantumbits op; ze zitten precies waar je ze wil hebben’
 

Alle vier koppelen

Deze eigenschappen geven de onderzoekers de mogelijkheid om niet twee maar vier qubits te maken en die in een raster van 2 bij 2 te zetten. Daardoor kun je ze alle vier aan elkaar koppelen, legt Veldhorst uit. ‘We hebben een circuit gemaakt dat alle vier de qubits verstrengelt (een onzichtbare koppeling, een band die twee heel kleine deeltjes op afstand met elkaar kunnen hebben, red.). Daarmee hebben we dus een logische schakeling van vier-qubits gemaakt. Daarna hebben we ze weer ontkoppeld. Dat laat zien dat we controle over de qubits hebben.’

De onderzoekers denken alweer een stap verder. De volgende belangrijke uitdaging is een groter raster van bijvoorbeeld 3 bij 3. Veldhorst: ‘In zo’n structuur zijn er altijd qubits die niet aan de rand zitten en waar je dus moeilijker bij komt. De volgende stap is om dat probleem op te lossen en gelukkig hebben we daar al goede ideeën voor.’


De onderzoekers worden in deze video geïnterviewd over hun resultaten:
 

 

Tekst: Bastienne Wentzel
Openingsfoto Menno Veldhorst en promovendus Nico Hendrickx naast hun opstelling met daarin de germanium quantumprocessor. Foto Marieke de Lorijn / QuTech