Onderzoekers en ingenieurs van QuTech in Nederland en van Intel Corp., gezamenlijk een chip ontworpen en getest om qubits te controleren die bij extreem lage temperaturen kunnen werken, en opent de deur naar het oplossen van het "bedradingsprobleem, " een belangrijke stap naar een schaalbare kwantumcomputer. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Elke basiseenheid van een kwantumcomputer, een qubit, wordt typisch individueel geadresseerd door een enkele draad. "Dit staat een schaalbare kwantumcomputer in de weg, want voor miljoenen qubits zouden miljoenen draden nodig zijn', legt hoofdonderzoeker Lieven Vandersypen van QuTech uit. "Dit wordt de 'bedrading bottleneck' genoemd. In traditionele computers heeft een moderne processor met miljarden transistors slechts een paar duizend aansluitingen. De cryogene temperaturen waarbij qubits werken (20 millikelvin, of ongeveer -273 graden Celsius) bemoeilijken het gebruik van traditionele oplossingen." Zo'n chip zou de extreme temperaturen gewoon niet kunnen verdragen, daarom is er een nieuwe cryogene controlechip ontworpen en getest.

Intel Horse Ridge

Ingenieurs bij Intel en QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, de Nederlandse Organisatie voor Toegepast Wetenschappelijk Onderzoek - heeft een speciaal op silicium gebaseerd geïntegreerd circuit ontworpen dat bestand is tegen de kou (3 graden Celsius boven het absolute nulpunt) en ook qubits kan adresseren. De zogenaamde 'Horse Ridge' chip is vernoemd naar de koudste plek in Oregon, de staat waar het Intel-lab zich bevindt.

"We gebruikten dezelfde technologie die werd gebruikt voor de conventionele microprocessor, de CMOS-technologie. Voor paardenrug, we hebben specifiek de Intel 22nm low-power FinFET-technologie gebruikt", zegt co-hoofdonderzoeker Edoardo Charbon, hoofd van EPFL's Advanced Quantum Architecture Laboratory. "Omdat elektronische apparaten heel anders werken bij cryogene temperaturen, we hebben speciale technieken gebruikt in het chipontwerp om zowel de juiste werking te garanderen als om qubits met hoge nauwkeurigheid aan te sturen." waardoor het knelpunt in de bedrading verder wordt verlicht.

Hoge betrouwbaarheid en goede programmeerbaarheid

Om de kwaliteit van de cryogene Horse Ridge-controlechip te beoordelen, werd deze vergeleken met een klassieke kamertemperatuurregelaar. Het blijkt dat de gate-fidelity van het systeem erg hoog is (99,7%) en niet beperkt wordt door de controller maar door de qubits zelf. Dat is goed nieuws voor de prestaties van de cryogene controlechip.

Volgende, de programmeerbaarheid van de controller werd gedemonstreerd met behulp van een twee-qubit kwantumalgoritme. Het Deutsch-Jozsa-algoritme is een van de eenvoudigste algoritmen die veel efficiënter is op een kwantumcomputer dan op een traditionele computer. Dit demonstreert de mogelijkheid om de besturingschip te programmeren met willekeurige volgorden van bewerkingen, en opent de weg naar on-chip implementatie en een echt schaalbare kwantumcomputer.