Qubits 100 keer sneller uitlezen: nieuwe stap richting quantumcomputer

Een werkende quantumcomputer vereist een snelle, betrouwbare en opschaalbare uitlezing van de toestand van de qubits, de bouwstenen van zo’n toekomstige computer. De groep van prof. Lieven Vandersypen heeft nu voor het eerst laten zien dat alle drie de voorwaarden tegelijk vervuld kunnen worden, een belangrijke stap voorwaarts. De wetenschappers van QuTech, een samenwerking van TU Delft en TNO, publiceerden hier vandaag over in Nature Nanotechnology.

Simpeler

Een toekomstige, superefficiënte, quantumcomputer heeft qubits als elementaire bouwstenen. Ze vervullen een rol die enigszins is te vergelijken met die van gewone bits in een conventionele computer. In de snelle, betrouwbare uitlezing van qubits heeft QuTech nu een belangrijke stap gezet, die ook het opschalen van het aantal qubits versimpelt.

Quantum dots

Er zijn meerdere soorten qubits in ontwikkeling richting de uiteindelijke toepassing in een quantumcomputer. De groep van Vandersypen werkt met quantum dots: individuele, in silicium opgesloten elektronen, die allemaal een specifieke spintoestand kunnen hebben (up of down). ‘Deze methode heeft onder meer als voordelen de compactheid en het feit dat de quantumtoestand van de elektronen relatief lang behouden blijft’, zegt Guoji Zheng, eerste auteur van het artikel en promovendus bij QuTech. ‘Ook werken we in silicium, het materiaal dat de halfgeleiderindustrie al decennialang gebruikt voor conventionele processoren. Dit betekent dat onze technologie geïntegreerd kan worden in industriële fabricageprocessen.’

In de weg

‘Het signaal van een enkele elektronspin is zeer zwak, dus de uitlezing van de spintoestand gebeurt via de verandering van lading’, legt Zheng uit. ‘In de ene spintoestand kan het elektron uit de quantum dot ontsnappen en verandert dus de lading op de quantum dot, in de andere toestand niet. De eventuele verandering in lading kun je meten met een elektrometer; maar deze zitten naast de dot en zitten dus een fysieke uitbreiding van het aantal dots en het opschalen naar meer qubits, in de weg.’
‘Daarom wordt sinds een aantal jaar een alternatieve uitleesmethode onderzocht waarbij een resonator wordt verbonden aan een elektrode die er toch al is om de dot te maken. Het grote voordeel hiervan is dat, als de uitleesmethode goed werkt, het opschalen veel gemakkelijker wordt.’

Resonators

‘Maar ook deze methode had zo zijn beperkingen’, zegt Zheng. ‘De techniek was niet snel genoeg om het verval van quantumtoestanden voor te zijn en de signaal-ruis verhouding (SNR) was niet goed.’ De wetenschappers zijn er nu echter in geslaagd om de resonators kwalitatief sterk te verbeteren door deze op de chip zelf te plaatsen. ‘Hierdoor kunnen we wel 100 keer sneller uitlezen dan voorheen. Volgens mij zijn we op dit moment de snelste voor dit type qubit in silicium.’

Stap

De uitleesmethode heeft geen extra sensor nodig waardoor het uiteindelijke quantumchip-ontwerp er simpeler uit kan zien. De wetenschappers laten zien dat deze uitlezing goed kan werken. Zheng en Vandersypen denken bovendien de kwaliteit van de uitlezing nog verder te kunnen verbeteren. ‘Dit kan bijvoorbeeld door het gebruik van een betere versterker van het elektrisch signaal’, zegt Vandersypen.
‘Een snelle uitlezing is belangrijk voor het toepassen van quantum error correction, wat cruciaal is voor een werkende quantumcomputer. Dit wil zeggen dat we een foute qubit snel detecteren en corrigeren, voordat de quantumtoestand verloren gaat.’
‘Als we nog een kleine kwaliteitsslag maken, kunnen we het aantal qubits met een gerust hart gaan opschalen in twee dimensies, op weg naar een quantumcomputer.’

Het Vandersypen lab aan de TU Delft behoort tot QuTech, het Kavli Institute of Nanoscience en de afdeling Quantum Nanoscience.