Quantumcomputers hebben het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we computerproblemen oplossen, van het creëren van geavanceerde kunstmatige intelligentie tot het simuleren van chemische reacties om de volgende generatie materialen of medicijnen te creëren. Maar eigenlijk is het bouwen van dergelijke machines erg moeilijk omdat ze exotische componenten bevatten en in sterk gecontroleerde omgevingen moeten worden bewaard. En degenen die we tot nu toe hebben, kunnen nog niet beter presteren dan traditionele machines.

Maar met een team van onderzoekers uit het VK en Frankrijk, we hebben aangetoond dat het heel goed mogelijk is om een ​​kwantumcomputer te bouwen van conventionele elektronische componenten op basis van silicium. Dit zou de weg kunnen effenen voor grootschalige productie van kwantumcomputers, veel eerder dan anders mogelijk zou zijn.

De theoretische superieure kracht van kwantumcomputers komt voort uit de wetten van de nanoschaal of "kwantum" fysica. In tegenstelling tot conventionele computers, die informatie opslaan in binaire bits die "0" of "1 kunnen zijn " kwantumcomputers gebruiken kwantumbits (of qubits) die tegelijkertijd in een combinatie van "0" en "1" kunnen zijn. Dit komt omdat de kwantumfysica het mogelijk maakt dat deeltjes tegelijkertijd in verschillende toestanden of plaatsen zijn.

De ontwikkeling van kwantumcomputers staat nog in de kinderschoenen en er zijn verschillende hardwaretechnologieën beschikbaar zonder dat er één domineert. De meest geavanceerde prototypes zijn momenteel gemaakt van enkele tientallen ionen die in een vacuümkamer zijn gevangen of van supergeleidende circuits die op een temperatuur van bijna absoluut nul worden gehouden.

De cruciale uitdaging is om deze kleine demonstrators op te schalen tot grote onderling verbonden qubit-systemen die voldoende rekenkracht hebben om nuttige taken sneller uit te voeren dan klassieke supercomputers. Hiertoe, een andere technologie kan uiteindelijk geschikter blijken te zijn. Opvallend genoeg, dit zou dezelfde technologie kunnen zijn die vandaag onze digitale samenleving mogelijk maakt, de siliciumtransistor, de basiseenheid van informatie die aanwezig is in alle microprocessors en geheugenchips.

Er zijn twee belangrijke redenen waarom het maken van een kwantumcomputer uit silicium een ​​aura van groot belang heeft. Eerst, De door de wet van Moore geleide meedogenloze miniaturisatie van siliciumapparaten heeft de fabricage mogelijk gemaakt van transistors die slechts enkele tientallen atomen breed zijn. Dit is de schaal waarop de wetten van de kwantumfysica gaan gelden.

Dit vormt een fysieke limiet die elke verdere miniaturisering van siliciumtransistors tot stilstand heeft gebracht. Maar het heeft ook nieuwe toepassingen van siliciumtechnologie bevorderd, bekend als More-than-Moore elektronica. De belangrijkste van deze nieuwe richtingen is de mogelijkheid om een ​​kwantumbit informatie in elke siliciumtransistor te coderen, en ze vervolgens te gebruiken om grootschalige kwantumcomputers te bouwen.

Door dezelfde technologie te hergebruiken die de microchipindustrie de afgelopen 60 jaar heeft gehanteerd, we zouden ook kunnen profiteren van eerdere infrastructurele investeringen van meerdere miljarden dollars en de kosten kunnen verlagen. Dit betekent dat alle slimme engineering en verwerking die in de ontwikkeling van moderne micro-elektronica zijn gestoken, kunnen worden aangepast om steeds krachtigere kwantumprocessors te bouwen.

Silicium kwantumchip

De experimenten die onlangs zijn uitgevoerd door onze samenwerkende teams aan de Universiteit van Cambridge, Hitachi R&D, University College London en CEA-LETI in Frankrijk, en gepubliceerd in Natuur Elektronica suggereren dat dit huwelijk tussen conventionele en kwantumelektronica inderdaad gevierd kan worden. We hebben technische oplossingen van conventionele siliciumcircuits genomen en deze toegepast om verschillende kwantumapparaten op een chip met elkaar te verbinden. Hiermee is de praktische realisatie van quantumprocessors een stap dichterbij gekomen.

We hebben een circuit ontwikkeld dat werkt bij bijna-absolute nul-temperaturen en dat alle commerciële transistors gebruikt. Sommige hiervan zijn zo klein dat ze als qubits kunnen worden gebruikt, terwijl andere iets groter zijn en kunnen worden gebruikt om verbinding te maken met verschillende qubits. Deze architectuur lijkt opmerkelijk veel op de architectuur die wordt gebruikt voor RAM (Random Access Memory) in de huidige laptops en smartphones.

In de afgelopen halve eeuw of zo, gewone computers evolueerden van kasten ter grootte van een kamer vol vacuümbuizen tot de huidige draagbare apparaten op basis van microchips. Er is nog een lange weg te gaan voordat een volwaardige kwantumcomputer beschikbaar komt, maar de geschiedenis kan zich herhalen. De huidige voortgang van het onderzoek suggereert dat de eerste kwantumprocessors eerst met wat exotische technologie kunnen worden gerealiseerd. Maar nu we hebben geleerd dat silicium kan worden gebruikt om qubits efficiënt met elkaar te verbinden, de kwantumtoekomst zou van silicium kunnen zijn.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.