CPU's zijn gebouwd met behulp van halfgeleidertechnologie, die in staat is om miljarden transistors op een enkele chip te zetten. Nutsvoorzieningen, onderzoekers uit de groep van Menno Veldhorst van QuTech, een samenwerking tussen TU Delft en TNO, hebben aangetoond dat deze technologie kan worden gebruikt om een ​​tweedimensionale array van qubits te bouwen die als een kwantumprocessor kunnen functioneren. Hun werk, een cruciale mijlpaal voor schaalbare kwantumtechnologie, werd vandaag gepubliceerd in Natuur .

Quantumcomputers hebben het potentieel om problemen op te lossen die met klassieke computers onmogelijk zijn op te lossen. Terwijl huidige kwantumapparaten tientallen qubits bevatten - de basisbouwsteen van kwantumtechnologie - zal een toekomstige universele kwantumcomputer die elk kwantumalgoritme kan uitvoeren waarschijnlijk uit miljoenen tot miljarden qubits bestaan. Quantum dot qubits beloven een schaalbare benadering te zijn, aangezien ze kunnen worden gedefinieerd met behulp van standaard halfgeleiderproductietechnieken. Veldhorst:"Door vier van dergelijke qubits in een twee-bij-twee-raster te plaatsen, demonstreert universele controle over alle qubits, en het bedienen van een kwantumcircuit dat alle qubits verstrengelt, we hebben een belangrijke stap voorwaarts gezet in het realiseren van een schaalbare benadering voor kwantumberekening."

Een hele kwantumprocessor

Elektronen gevangen in kwantumstippen, halfgeleiderstructuren van slechts enkele tientallen nanometers groot, worden al meer dan twee decennia bestudeerd als een platform voor kwantuminformatie. Ondanks alle beloften, schalen voorbij de logica van twee qubits is ongrijpbaar gebleven. Om deze barrière te doorbreken, de groepen van Menno Veldhorst en Giordano Scappucci besloten het heel anders aan te pakken en gingen met gaten (d.w.z. ontbrekende elektronen) in germanium. Met behulp van deze aanpak, dezelfde elektroden die nodig zijn om de qubits te definiëren, kunnen ook worden gebruikt om ze te controleren en te verstrengelen.

"Er hoeven geen grote extra structuren naast elke qubit te worden toegevoegd, zodat onze qubits bijna identiek zijn aan de transistors in een computerchip, " zegt Nico Hendrickx, afstudeerder in de groep van Menno Veldhorst en eerste auteur van het artikel. "Verder, we hebben een uitstekende controle verkregen en kunnen naar believen qubits koppelen, zodat we er een kunnen programmeren, twee, drie, en vier-qubit poorten, veelbelovende zeer compacte kwantumcircuits."

2D is de sleutel

Na het succesvol maken van de eerste germanium quantum dot qubit in 2019, het aantal qubits op hun chips is elk jaar verdubbeld. "Vier qubits maken geenszins een universele kwantumcomputer, natuurlijk, "Maar door de qubits in een raster van twee bij twee te plaatsen, weten we nu hoe we qubits in verschillende richtingen moeten besturen en koppelen." Elke realistische architectuur voor het integreren van grote aantallen qubits vereist dat ze langs twee dimensies met elkaar zijn verbonden.

Germanium als een zeer veelzijdig platform

Het demonstreren van vier-qubit-logica in germanium definieert de stand van de techniek op het gebied van kwantumdots en markeert een belangrijke stap in de richting van dichte, en verlengd, tweedimensionale qubit-rasters voor halfgeleiders. Naast de compatibiliteit met geavanceerde halfgeleiderproductie, germanium is ook een zeer veelzijdig materiaal. Het heeft opwindende natuurkundige eigenschappen zoals spin-baankoppeling en het kan contact maken met materialen zoals supergeleiders. Germanium wordt daarom beschouwd als een uitstekend platform in verschillende kwantumtechnologieën. Veldhorst:"Nu we weten hoe we germanium moeten maken en een reeks qubits moeten gebruiken, de germanium-kwantuminformatieroute kan echt beginnen."