Wetenschap
Quantum computing is zojuist heter geworden:één graad boven het absolute nulpunt
Decennia lang heeft het streven naar kwantumcomputers geworsteld met de noodzaak van extreem lage temperaturen, slechts fracties van een graad boven het absolute nulpunt (0 Kelvin of –273,15°C). Dat komt omdat de kwantumfenomenen die kwantumcomputers hun unieke rekencapaciteiten verlenen alleen kunnen worden benut door ze te isoleren van de warmte van de vertrouwde klassieke wereld waarin we leven.
Een enkele kwantumbit of ‘qubit’, het equivalent van de binaire ‘nul of één’-bit die de kern vormt van het klassieke computergebruik, vereist een groot koelapparaat om te kunnen functioneren. Op veel gebieden waar we verwachten dat kwantumcomputers voor doorbraken zullen zorgen – zoals bij het ontwerpen van nieuwe materialen of medicijnen – zullen we echter grote aantallen qubits of zelfs hele kwantumcomputers nodig hebben die parallel werken.
Kwantumcomputers die fouten kunnen verwerken en zichzelf kunnen corrigeren, essentieel voor betrouwbare berekeningen, zullen naar verwachting gigantisch groot zijn. Bedrijven als Google, IBM en PsiQuantum bereiden zich voor op een toekomst waarin hele magazijnen vol staan met koelsystemen en enorme hoeveelheden stroom verbruiken om één enkele kwantumcomputer te laten draaien.
Maar als kwantumcomputers zouden kunnen functioneren bij zelfs maar iets hogere temperaturen, zouden ze veel eenvoudiger te bedienen zijn – en op veel grotere schaal beschikbaar. Uit nieuw onderzoek gepubliceerd in Nature heeft ons team aangetoond dat een bepaald soort qubit (de spins van individuele elektronen) kan werken bij temperaturen rond de 1K, veel heter dan eerdere voorbeelden.
De koude, harde feiten
Koelsystemen worden minder efficiënt bij lagere temperaturen. Om het nog erger te maken, zijn de systemen die we vandaag de dag gebruiken om de qubits te controleren een wirwar van draden die doen denken aan ENIAC en andere enorme computers uit de jaren veertig. Deze systemen verhogen de verwarming en creëren fysieke knelpunten om qubits te laten samenwerken.
Hoe meer qubits we proberen te proppen, hoe moeilijker het probleem wordt. Op een gegeven moment wordt het bedradingsprobleem onoverkomelijk.
Daarna moeten de besturingssystemen in dezelfde chips worden ingebouwd als de qubits. Deze geïntegreerde elektronica verbruikt echter nog meer stroom (en voert meer warmte af) dan de grote wirwar van draden.
Een warme wending
Ons nieuwe onderzoek kan een uitweg bieden. We hebben aangetoond dat een bepaald soort qubit – een qubit gemaakt met een kwantumdot geprint met metalen elektroden op silicium, waarbij gebruik wordt gemaakt van technologie die veel lijkt op de technologie die wordt gebruikt bij de bestaande productie van microchips – kan werken bij temperaturen rond de 1K.
Dit is slechts één graad boven het absolute nulpunt, dus het is nog steeds extreem koud. Het is echter aanzienlijk warmer dan eerder voor mogelijk werd gehouden. Deze doorbraak zou de uitgestrekte koelinfrastructuur kunnen condenseren tot één beter beheersbaar, enkelvoudig systeem. Het zou de operationele kosten en het energieverbruik drastisch verlagen.
De noodzaak voor dergelijke technologische vooruitgang is niet louter academisch. Er staat veel op het spel op gebieden als het ontwerpen van medicijnen, waar kwantumcomputing belooft een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we moleculaire structuren begrijpen en ermee omgaan.
De onderzoeks- en ontwikkelingskosten in deze sectoren, die in de miljarden dollars lopen, onderstrepen de potentiële kostenbesparingen en efficiëntiewinsten van beter toegankelijke kwantumcomputertechnologieën.
Een langzame verbranding
‘Hetere’ qubits bieden nieuwe mogelijkheden, maar zullen ook nieuwe uitdagingen met zich meebrengen op het gebied van foutcorrectie en -controle. Hogere temperaturen kunnen heel goed een toename van het aantal meetfouten betekenen, wat verdere problemen zal veroorzaken bij het functioneel houden van de computer.
De ontwikkeling van kwantumcomputers staat nog in de kinderschoenen. Kwantumcomputers kunnen op een dag misschien net zo alomtegenwoordig zijn als de huidige siliciumchips, maar het pad naar die toekomst zal gevuld zijn met technische hindernissen.
Onze recente vooruitgang bij het werken met qubits bij hogere temperaturen is een belangrijke stap in de richting van het eenvoudiger maken van de vereisten van het systeem.
Het biedt hoop dat kwantumcomputers zich los kunnen maken van de grenzen van gespecialiseerde laboratoria naar de bredere wetenschappelijke gemeenschap, de industrie en commerciële datacentra.