QuTech heeft een groot probleem opgelost op weg naar een werkende grootschalige kwantumcomputer. QuTech, een samenwerking van TU Delft en TNO, en Intel hebben een geïntegreerde schakeling ontworpen en gefabriceerd die qubits bij extreem lage temperaturen kan regelen. Dit maakt de weg vrij voor de cruciale integratie van qubits en hun besturingselektronica in dezelfde chip. De wetenschappers hebben hun onderzoek gepresenteerd tijdens de ISSCC Conference in San Francisco.

Quantumcomputers

"Dit resultaat brengt ons dichter bij een grootschalige kwantumcomputer die problemen kan oplossen die zelfs de krachtigste supercomputers niet kunnen oplossen. Oplossingen voor die problemen kunnen een grote impact hebben op het dagelijks leven, bijvoorbeeld op het gebied van geneeskunde en energie, " zei teamleider Fabio Sebastiano van QuTech en de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica.

Extreme temperaturen

"Er zijn veel problemen die moeten worden opgelost voordat we een werkende grootschalige kwantumcomputer hebben, "zei Sebastiano. "De in qubits opgeslagen kwantuminformatie kan snel degraderen en onbruikbaar worden, tenzij qubits worden afgekoeld tot temperaturen die zeer dicht bij het absolute nulpunt liggen (-273 graden Celsius, of 0 Kelvin). Om deze reden, qubits werken doorgaans in speciale koelkasten bij temperaturen zo laag als 0,01 K, gecontroleerd door conventionele elektronica die bij kamertemperatuur werkt."

Opschalen

Er is één draad nodig om elke qubit aan te sluiten op de besturingselektronica. Hoewel dit haalbaar is voor het kleine aantal qubits dat nu in gebruik is, de aanpak zal onpraktisch worden voor de miljoenen qubits die nodig zijn in bruikbare kwantumcomputers. "Het zou hetzelfde zijn als het nemen van de 12-megapixelcamera op je mobiele telefoon en proberen om elk van de miljoen pixels afzonderlijk aan te sluiten op een afzonderlijk elektronisch circuit, " zei Sebastiano. "Een meer haalbare oplossing is om de elektronica die de qubits bestuurt te laten werken bij extreem lage (cryogene) temperaturen, zodat ze zo dicht mogelijk bij de qubits kunnen worden geplaatst."

Paardenrug

QuTech werkte samen met Intel om deze precieze uitdaging aan te gaan. Het resultaat heet Horse Ridge - een geïntegreerd circuit genoemd naar een van de koudste plekken in Oregon. Sebastiano:"We hebben een CMOS-geïntegreerd circuit ontworpen en gefabriceerd dat tot 128 qubits kan aansturen, die kan werken bij 3 K (-270 ° C) en kan daarom worden omschreven als een cryo-CMOS-circuit."

CMOS (complementary metal oxide semiconductor) is dezelfde technologie die wordt gebruikt voor standaard microprocessors. Het gebruik van CMOS maakt daarom de betrouwbare fabricage mogelijk van zeer complexe circuits met miljarden elektrische componenten, zoals vereist voor grootschalige kwantumcomputers.

Geïntegreerde schakeling en qubit

De onderzoekers toonden experimenteel zowel de goede werking van de geïntegreerde schakeling als het vermogen aan om een ​​echte spin-qubit aan te sturen. Spin-qubits behoren tot de veelbelovende qubit-kandidaten voor een grootschalige kwantumcomputer. Sebastiano:"Dit is het meest complexe cryo-CMOS-circuit dat ooit is gedemonstreerd, en de eerste die een spin-qubit kan aansturen."

Een chip

De volgende uitdaging is om het resterende temperatuurverschil te dichten. "Spin-qubits zullen naar verwachting functioneren bij iets hogere temperaturen dan nu wordt bereikt, zeg boven 1, 5K, " zei Sebastiano. "Ons cryo-CMOS-circuit werkt nu op 3 K. Als we deze temperatuurkloof kunnen overbruggen, we zouden beide qubits en hun besturingselektronica in hetzelfde pakket of dezelfde chip kunnen integreren, waardoor een extreem compact systeem ontstaat."