Quantum-race versnelt de ontwikkeling van silicium quantum chips

De wereldwijde race om meer, betere en betrouwbare quantumprocessoren te ontwikkelen gaat hard. Dat hebben Delftse wetenschappers onder leiding van professor Vandersypen opnieuw gemerkt: in een nek-aan-nekrace en een bijna gelijktijdige finish met concurrenten lieten ze, in een silicium quantum chip,  zien dat quantum informatie van een elektronspin naar een foton kan worden getransporteerd. Dit is belangrijk om quantum bits in silicium te verbinden en dus grote aantallen qubits op een chip beschikbaar te maken. Het werk is vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science.

De quantumcomputer van de toekomst kan berekeningen uitvoeren die een brug te ver zijn voor de huidige computers.. Door gebruik te maken van quantum superposities en verstrengeling van quantum bits (qubits) kunnen berekeningen parallel worden uitgevoerd. Wereldwijd werken wetenschappers en bedrijven om steeds betere quantum chips te realiseren, met steeds grotere aantallen quantum bits. Het Delftse QuTech werkt hard aan meerdere soorten quantum chips.

Bekend materiaal
Een belangrijk deel van de quantum chips wordt gemaakt in silicium. ‘Een voor ons zeer bekend materiaal,’ legt professor Lieven Vandersypen van QuTech en het Delftse Kavli Instituut uit, ‘Silicium wordt massaal gebruikt voor transistors en vinden we dan ook in ieder elektronisch apparaat.’ Maar ook voor quantum technologie is silicium veelbelovend. Promovendus Guoji Zheng: ‘Met behulp van spanningsvelden kunnen we enkele elektronen vangen in silicium en gebruiken als quantum bits (qubits). Het materiaal is aantrekkelijk, want het zorgt ervoor dat de informatie in de qubit lang bewaard kan blijven.’

Grote systemen
Voor bruikbare berekeningen zijn grote aantallen qubits nodig. Juist die opschaling naar grote aantallen is wereldwijd een uitdaging. ‘Om veel qubits tegelijk te gebruiken moeten ze met elkaar verbonden worden, er moet goede communicatie zijn’, legt onderzoeker Nodar Samkharadze uit. De elektronen die als qubits in silicium worden gevangen kunnen nu alleen rechtstreeks contact maken met hun dichtstbijzijnde buren. Nodar: ‘dat maakt het lastig om op te schalen naar grote aantallen qubits.’

Nek-aan-nek
Andere quantumsystemen gebruiken fotonen voor interacties over grotere afstanden. Ook in silicium was dit al jaren een belangrijk doel. Pas de laatste jaren boekten verschillende wetenschappers vooruitgang. De Delftse wetenschappers hebben nu laten zien dat een als qubit gebruikt elektron aan een enkel foton kan worden gekoppeld. Die koppeling maakt het in theorie mogelijk om de quantuminformatie van een elektronspin over te dragen op een foton. Guoji Zheng: ‘Dit is belangrijk om quantum bits in silicium met elkaar te verbinden en dus op te schalen naar grote aantallen qubits op een chip.’

Meteen weer door
Vandersypen is trots op zijn team: ‘Mijn team heeft dit belangrijke resultaat in relatief korte tijd behaald, onder grote druk van wereldwijde competitie.’ Het is echt een Delftse doorbraak: ‘Het substraat is in Delft gemaakt, de chip is in de cleanrooms van Delft gefabriceerd, waarna alle metingen bij QuTech zijn uitgevoerd,’ aldus Nodar Samkharadze. De wetenschappers werken direct door aan volgende stappen. Vandersypen: ‘Het doel is nu om de informatie via een foton naar een ander elektron over te brengen.’

Het werk werd gefinancierd door een ERC Synergy Grant, NWO via het Nanofront Zwaartekracht-programma en Intel.