Een quantumcomputer rekent op een fundamenteel andere manier dan een traditionele computer, met qubits in plaats van bits. Moeten we die quantumcomputer dan ook met fundamenteel verschillende materialen bouwen? Niet noodzakelijk, zo blijkt, want qubits gebouwd op basis van halfgeleiders bieden een aantal specifieke voordelen.
Quantumcomputers hebben stevige beloftes waar te maken. Zo zouden ze bepaalde problemen in geneesmiddelenontwikkeling, meteorologie of encryptie exponentieel sneller kunnen oplossen dan de beste klassieke supercomputers. Een van de belangrijke voorwaarden om de verwachtingen te kunnen inlossen is de ontwikkeling van veel meer en kwalitatief betere qubits – de informatiedragers en dus de bouwstenen van quantumcomputers. Nard Dumoulin Stuyck, doctoraatstudent en Iuliana Radu, programmadirecteur in de quantum devices-groep van imec, leggen uit hoe ze de troeven van de halfgeleidertechnologie gebruiken om uniforme en betrouwbare qubits te maken die bovendien in hoge volumes geproduceerd kunnen worden.
Wat maakt quantumcomputers zo speciaal?
Klassieke computers zijn in wezen heel gesofisticeerde telramen. Maar wat als we de telregels radicaal veranderen? Wat als we computers konden doen rekenen met de regels van de quantummechanica? Zulke quantumcomputers zouden dan in staat zijn om heel ingewikkelde patronen te herkennen en parallelle berekeningen te maken in een fractie van de tijd die de beste klassieke supercomputer nodig heeft. Daarmee zou je bijvoorbeeld weermodellen op punt kunnen stellen en de geneesmiddelenontwikkeling een stevige boost kunnen geven of encryptie een heel pak veiliger maken. Hoewel de eerste quantumcomputers al voorzichtig realiteit worden, staan ze nog niet op punt om de nuttigste toepassingen te kunnen verwezenlijken. Een van de grootste hindernissen is het beperkt aantal qubits.
Zoals bits de informatiedragers zijn in klassieke computers, zijn quantumbits of qubits de tegenhanger in quantumcomputers. Zij volgen de regels van de quantummechanica. De quantummechanica beschrijft de interacties van kleine deeltjes (quanta) op (sub)atomaire schaal. De wetten op deze schaal zijn op zijn minst bizar te noemen. Zo zou het in de quantumwereld bijvoorbeeld perfect mogelijk zijn om tegelijkertijd naar een leuk feestje te gaan en thuis gezellig Netflix te kijken. Deeltjes kunnen op meerdere plaatsen tegelijk vertoeven; een eigenschap die superpositie genoemd wordt.
Hetzelfde geldt voor de qubits. Iuliana Radu: 'Bits kunnen ofwel de waarde ‘0’ of ‘1’ hebben, maar qubits – eigenlijk bits in superpositie – zijn ‘0’ en ‘1’ of beide tegelijk. Bovendien, als je zou rekenen met 1 qubit heeft dat ook invloed op andere qubits, een gevolg van een andere quantumeigenschap, verstrengeling. Deze eigenschappen vormen de basis van de superkrachten van een quantumcomputer. Parallelle berekeningen gaan een heel pak vlotter door de mogelijkheid van ‘superpositie’: meerdere antwoordpistes kunnen tegelijk verkend worden. Door verstrengeling van deeltjes kan je dan weer de verwerkingskracht van de computer exponentieel opdrijven.'
Quantumcomputer zoekt qubit met goede eigenschappen
Vandaag tellen de meest geavanceerde quantumcomputers maar tien tot vijftig qubits. Het zijn grote, dure labinstrumenten met beperkte mogelijkheden. Maar ze tonen wel de onderliggende principes aan. Voor de meest beloftevolle toepassingen heb je echter al snel een paar miljoen qubits nodig. En daar wringt nu net het schoentje. 'Een belangrijke voorwaarde voor een nuttige quantumcomputer is dat je voldoende qubits hebt', vertelt Nard Dumoulin Stuyck, doctoraatsstudent in de quantum devices-groep in imec.
Niet alleen het aantal, ook de kwaliteit van de qubits speelt mee. 'In principe kan je leven met qubits die af en toe een foutje maken, zolang je er andere hebt om die foutjes te corrigeren. Hoe beter de qubits zijn, hoe minder je er moet opofferen om fouten te corrigeren. Dan spreken we over volledig foutloze qubits. Maar daar zijn we nog lang niet. Bovendien – om efficiënt te werken in een quantumcomputer – moet je goede qubits kunnen maken en dat op een manier die opschaalbaar is naar grote volumes. Ze moeten ook betrouwbaar zijn en tot slot controleerbaar. Al deze factoren samen optimaliseren is nu de uitdaging. In mijn doctoraat leg ik de focus op de optimalisatie van het productieproces en op de kwaliteit van de qubits.'
De ene qubit is de andere niet
Maar wat is nu een ‘kwalitatief goede qubit’? Een van de vereisten is een goede uniformiteit. Het voordeel van uniforme (of gelijkaardige) qubits is dat ze gemakkelijker te controleren zijn.
Een tweede vereiste is de betrouwbaarheid, wat kan uitgedrukt worden in coherentietijd. Na verloop van tijd verliezen qubits immers hun ‘quantumheid’. Als een qubit bijvoorbeeld in de toestand ‘1’ start, zal deze na verloop spontaan vervallen naar een onbekende (en dus nutteloze) toestand. Hoe langer een qubit goed functioneert, hoe meer operaties je ermee kan uitvoeren voor de qubit gereset moet worden.
Doordat qubits twee verschillende toestanden of twee energieniveaus hebben vormen ze een erg fragiel systeem. Op kamertemperatuur is het energieverschil tussen de beide toestanden van de qubit te klein vergeleken met de thermische energie. Daardoor kan de qubit niet gecontroleerd worden, met andere woorden het deeltje kan op kamertemperatuur nooit in één staat gestuurd of uitgelezen worden maar blijft ergens tussenin bestaan. Om dat te omzeilen worden qubits afgekoeld tot dicht bij het absolute nulpunt, namelijk tot temperaturen rond -273°C. Dan is de thermische energie zo klein vergeleken met de qubit-energie dat je de qubit wel kan controleren. Maar om zo’n temperaturen te halen zijn dan weer enorme koelkasten nodig (cryogenica), die quantumcomputers al snel zo groot als een huis kunnen maken.
Het recept voor een goede qubit
Welke technologie gebruik je om een goede qubit te maken? Vooralsnog is niemand het eens over de beste ‘flavor’; elk heeft zijn voor- en nadelen. Aan onderzoek is er in elk geval geen gebrek. Qubits hebben de overstap gemaakt van universitaire labs naar de industrie net omwille van hun enorme potentieel in applicaties. Alle grote industriële spelers – IBM, Google, Microsoft en Intel – investeren gigantisch in quantumcomputers, net zoals overheden in onder meer de VS, China en Europa.
Momenteel wordt er veel ingezet op qubit-technologieën die werken op super- en halfgeleiders. Supergeleiders zijn de huidige koplopers in het aantal qubits, maar deze qubits nemen een grote oppervlakte in beslag. Qubits uit halfgeleiders zijn veel kleiner. In een toekomst waar quantumcomputers miljoenen qubits zullen hebben, is de halfgeleiderqubit dus erg interessant.
Betere qubits in doodgewoon silicium
Nard Dumoulin Stuyck werkt voor zijn doctoraatsonderzoek op halfgeleider-qubits: “Ons doel is om qubits te ontwikkelen waarvan we de productie echt kunnen opschalen naar grote hoeveelheden, zodat ze op industriële schaal geproduceerd kunnen worden. We onderzoeken hoe we dat kunnen realiseren, gebruikmakend van de bestaande chipproductieprocessen.”
Het doctoraat van Nard Dumoulin Stuyck kadert in het ruimere imec-quantumprogramma. Het Vlaamse onderzoeksinstituut heeft niet meteen als doel zelf een quantumcomputer te bouwen. Imecs quantumactiviteiten zijn gefocust op het ondersteunen van het wereldwijde quantumecosysteem. Ten eerste legt het onderzoekscentrum zich toe op het ontwikkelen van productieprocessen voor qubits, het verbeteren van de kwaliteit en het verminderen van de variabiliteit. Ten tweede doet het imec ook onderzoek naar de op maat gemaakte circuits die de qubits aansturen. Die moeten kunnen werken op de extreem koude temperaturen die qubits vereisen. Imec werkt momenteel op twee verschillende soorten qubits: qubits op basis van supergeleiders (zoals de Google computer met 50 qubits) en qubits op basis van halfgeleiders. Imec beschikt voor dit onderzoek over een pilootlijn met de meest geavanceerde toestellen in zijn 300mm clean room.
Iuliana Radu licht toe: “Bij imec ontwikkelen we halfgeleider-qubits op basis van silicium en silicium-oxide. Die hebben een aantal specifieke voordelen. Ze zijn ten eerste compatibel met de huidige chiptechnologie; we kunnen dus putten uit de gigantische technologie-ervaring die we daar hebben. Ten tweede hebben dit soort qubits ook een fysisch voordeel: een van de grote problemen met andere materialen is dat ze nucleaire spins bevatten die reageren met de elektronenspin van de qubits. Dat probleem heb je al veel minder als je met silicium qubits werkt.”
