Cryo-chip overkomt obstakel voor grootschalige quantumcomputers

QuTech, een samenwerking van de TU Delft en TNO, heeft een belangrijke horde genomen op de weg naar een werkende, grootschalige quantumcomputer. Samen met Intel heeft QuTech een geïntegreerd circuit ontworpen en gefabriceerd dat bij extreem lage temperaturen werkt en qubits aan kan sturen. Dit maakt de weg vrij voor de integratie van qubits, de bouwstenen van een quantumcomputer, en hun besturingselektronica op één chip. De onderzoekers presenteerden hun resultaten tijdens de ISSCC conferentie in San Francisco.

Quantumcomputers
"Dit resultaat brengt ons dichter bij een grootschalige quantumcomputer, die problemen op kan lossen die zelfs voor de krachtigste supercomputers te complex zijn. Oplossingen voor die problemen kunnen een grote impact hebben op het dagelijks leven, bijvoorbeeld in de geneeskunde of de energiesector," aldus teamleider Fabio Sebastiano van QuTech en de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica.

Het team in het lab naast de cryogene koelkast die de qubit en Horse Ridge bevat. De uitvoer van Horse Ridge is zichtbaar op het scherm rechtsonder. Van boven naar beneden, van links naar rechts: Bishnu Patra, Jeroen van Dijk, Xiao Xue, Fabio Sebastiano (met de qubits), Lieven Vandersypen, Masoud Babaie (met Horse Ridge).

Extreme temperaturen
"Er zijn veel uitdagingen die moeten worden opgelost voordat we een werkende, grootschalige quantumcomputer hebben," vertelt Sebastiano. "De quantuminformatie die is opgeslagen in qubits kan namelijk snel vervallen en onbruikbaar worden, tenzij de qubits worden afgekoeld tot temperaturen die zeer dicht bij het absolute nulpunt liggen (-273 graden Celsius, of 0 Kelvin). Om deze reden werken qubits meestal in speciale koelkasten bij temperaturen tot 0,01 K. De qubits worden echter gecontroleerd door conventionele elektronica die bij kamertemperatuur werkt."

Schaalvergroting
Er is op dit moment per qubit één draad nodig om deze te verbinden met de besturingselektronica. Dit is goed te doen voor het kleine aantal qubits dat nu in gebruik is, maar onpraktisch voor de miljoenen qubits die nodig zijn voor toekomstige quantumcomputers. "Het is alsof je een foto neemt met de 12-megapixelcamera van je mobiele telefoon, en vervolgens probeert om elk van de miljoen pixels afzonderlijk aan te sluiten op een aparte elektronisch circuit," zegt Sebastiano. "Dat is natuurlijk niet mogelijk. Voor qubits geldt hetzelfde. Een oplossing voor dit probleem is het ontwerpen van elektronica die werkt bij extreem lage (cyrogene) temperaturen, zodat ze zo dicht mogelijk bij de qubits kunnen worden geplaatst."

Horse Ridge, klaar om te worden geïnstalleerd in de cryogene koelkast.

Horse Ridge
QuTech werkte samen met Intel om precies deze uitdaging aan te gaan. Het resultaat heet Horse Ridge - een geïntegreerd circuit dat is vernoemd naar één van de koudste plekken in Oregon. Sebastiano: "We hebben een CMOS-geïntegreerd circuit ontworpen en gefabriceerd dat tot 128 qubits kan aansturen. Het circuit kan bij 3 K (-270 °C) werken; het is dus een cryo-CMOS-circuit.”

CMOS (complementary metal oxide semiconductor) is dezelfde technologie die gebruikt wordt voor standaard microprocessoren. Het gebruik van CMOS maakt het dus mogelijk om complexe schakeling met miljarden componenten betrouwbaar te fabriceren –  precies wat nodig is voor grootschalige quantumcomputers.

Geïntegreerd circuit en qubit
De onderzoekers toonden experimenteel de goede werking van het geïntegreerde circuit aan en lieten zien dat Horse Ridge een echte spin qubit aan kan sturen. Spin qubits behoren tot de veelbelovende qubit-kandidaten voor een grootschalige quantumcomputer. Sebastiano: "Dit is het meest complexe cryo-CMOS-circuit ooit gepresenteerd, en bovendien de eerste die een spin qubit kan aansturen.”

Eén chip
De volgende uitdaging is het dichten van het resterende temperatuurverschil. "Spin-qubits zullen naar verwachting kunnen functioneren bij iets hogere temperaturen dan nu, boven de 1,5 K," vertelt Sebastiano. "Ons cryo-CMOS-circuit werkt nu bij 3 K. Als we dit temperatuurverschil kunnen overbruggen, kunnen we qubits en hun besturingselektronica in hetzelfde pakket of op dezelfde chip integreren. Dit levert een uiterst compact systeem op.”

Over de publicatie
De International Solid-State Circuits Conference is het belangrijkste forum voor vooruitgang op het gebied van solid-state circuits. De publicatie en de presentatie op ISSCC beschrijven de Intel 22-nm FFL FinFET cryo-CMOS-controller die werkt bij 3 K over een bandbreedte van 2 tot 20 GHz en in staat is om tot 128 spin qubits of supergeleidende qubits aan te sturen. De prestaties worden gemaximaliseerd door het optimaliseren van de gegenereerde uitgangsgolfvormen. Deze extreme flexibiliteit wordt mogelijk gemaakt door de digitaal-intensieve architectuur die bestaat uit een 180-kB SRAM voor opslag van de golfvorm, een digitale polaire modulator, een 1-GSa/s 10-bits I/Q DAC en een breedbandig RF-front-end. Voor meer informatie over de technische specificaties van de cryo-CMOS-controller verwijzen we naar de door Intel opgestelde factsheet. 

De onderzoekers zijn ook al bezig met het uitbreiden van de functionaliteiten van hun cryo-CMOS elektronica. Op ISSCC zullen ze ook de best presterende cryo-CMOS-frequentiegenerator ter wereld presenteren, die in toekomstige versies van Horse Ridge zal worden geïntegreerd om een nog compactere elektronische controller te bereiken. 

Publicatie
A Scalable Cryo-CMOS 2-to-20GHz Digitally Intensive Controller for 4×32 Frequency Multiplexed Spin Qubits/Transmons in 22nm FinFET Technology for Quantum Computers

B. Patra, J. P. G. van Dijk, S. Subramanian, A. Corna, X. Xue, C. Jeon, F. Sheikh, E. Juarez-Hernandez, B. Perez Esparza, H. Rampurawala, B. Carlton, N. Samkharadze, S. Ravikumar, C. Nieva, S. Kim, H-J. Lee, A. Sammak, G. Scappucci, M. Veldhorst, L. M. K. Vandersypen, M. Babaie, F. Sebastiano, E. Charbon, S. Pellerano

Proceedings of the 2020 IEEE International Solid- State Circuits Conference (ISSCC), San Francisco, CA, USA, 2020.
http://isscc.org

Fotografie
Het beeld van de chip is vrij te gebruiken, o.v.v. QuTech.
De teamfoto is vrij te gebruiken, o.v.v. Ernst de Groot voor QuTech.