Samen met Intel proosten op een qubit
De nieuwe bouwstenen van de quantumcomputer van de toekomst, die uit een van de huidige chipfabrieken rollen. Onderzoekers van QuTech — een samenwerking tussen de TU Delft en TNO — en Intel lieten zien dat dit mogelijk is. Ze bereikten dit technische hoogstandje door nauw samen te werken en veel kennis uit te wisselen, zodat ze online met champagne op deze mijlpaal konden proosten.
Op het eerste gezicht zien de gebouwen van Intel vlakbij de Amerikaanse stad Portland er nogal saai uit. Het lijken wel grote, grauwe schoenendozen, die als opslagplaats dienen voor pakketjes of levensmiddelen. Geen plek waar je baanbrekend technologisch onderzoek verwacht. Toch is dit precies wat je binnen de grijze muren aantreft. Hier maakt Intel namelijk niet alleen chips, die ervoor zorgen dat jouw smartphone en laptop werkt, maar ontwikkelen ze ook de bouwstenen van de quantumcomputer. Dat is de computer van de toekomst. En ze doen dat in samenwerking met QuTech.
Samen hadden de Nederlandse en Amerikaanse onderzoekers de afgelopen jaren een missie. Ze wilden met de huidige technieken qubits printen op silicium. Die qubits zijn de bouwstenen van de quantumcomputer, waarmee je in de toekomst nog veel sneller berekeningen doet. “Nu nog werken onderzoekers vooral met qubits in laboratoria. Om de quantumcomputer mogelijk te maken, wil je ze op een toegankelijke manier produceren. Door samen te werken met Intel wilden wij laten zien dat we met de huidige manier van chips maken ook qubits kunnen printen. Dat brengt de quantumcomputer een belangrijke stap dichterbij, omdat je dan met de huidige faciliteiten werkt”, zegt Anne-Marije Zwerver van QuTech, die met haar collega Tobias Krähenmann aan de slag ging.
Verschillen in werkwijze
"Al twee decennia wordt geroepen dat het mogelijk is qubits in silicium op deze manier te realiseren in de huidige productieprocessen voor chips. Maar het was alleen maar een aanname”, aldus Tobias. Hoe laat je dan zien dat het daadwerkelijk kan? Om die klus te klaren was het nodig om kennis van de wetenschap en de onderzoekspraktijk samen te voegen. Zo combineerden de onderzoekers de wetenschappelijke kennis over de qubits van QuTech met de praktische kennis en faciliteiten van Intel.
Vijf jaar lang werkten de wetenschappers van QuTech en de onderzoekers van Intel samen om hun doel te verwezenlijken. Daarvoor was wel enige afstemming nodig, omdat het aparte werelden zijn. “Omdat we een qubit wilden vangen op het silicium moesten we uitermate precies werken. Voor Intel was het nieuw om de verschillende elektroden op kleine schaal naast elkaar en in twee lagen te maken”, aldus Anne-Marije.
Er waren meer verschillen in de werkwijze en aanpak tussen de academische wereld en de chipgigant. “Intel werkt heel gestructureerd en planmatig. Wij duiken meestal dieper in hoe alles precies werkt”, legt Tobias uit. “Vaak komen we tijdens ons onderzoek iets tegen dat heel interessant is en dan willen we begrijpen waarom het zo gaat. We willen de fysica doorgronden. Onze focus ligt op hoe het werkt en wat de limieten zijn. Intel ontwikkelt nieuwe technologie, die wij in de toekomst gaan gebruiken, en zij richten zich vooral op dat het werkt.”
Huzarenstukje
Soms was het daardoor even aftasten en ook nodig om duidelijk te communiceren, zodat de onderzoekers op dezelfde lijn zaten en het doel van een qubit isoleren op silicium konden bereiken. Dat je net een andere aanpak kan hebben als onderzoeker waren Anne-Marije en Tobias wel gewend. Ze zijn al jaren bevangen door de quantumcomputer, maar verschillen ook onderling in hun aanpak. Anne-Marije: “Ik hoorde over quantummechanica toen ik zestien was en sindsdien laat het me niet meer los. Dat deeltjes verstrengeld kunnen raken vind ik magisch. Ik wil graag weten hoe het werkt, alleen weet niemand dan nog precies op dit moment.”
Die interesse deelt Tobias met haar. “Ik maakte als kind mijn moeder vroeger al gek door altijd ‘waarom’ te vragen. Ik had alleen meer een hands-on aanpak dan Anne-Marije, die meer conceptueel naar dingen kijkt. Ik haalde bijvoorbeeld graag speelgoed uit elkaar. In elkaar zetten ging niet altijd goed, maar ik wilde weten uit welke onderdelen het bestond. In ons werk vullen Anne-Marije en ik elkaar aan, doordat we de fascinatie delen, maar wel een andere aanpak hebben.”
Die aanvullende eigenschappen van Tobias, Anne-Marije, Intel en QuTech zorgden niet voor beperkingen, maar leidden tot succes. Door de verschillende aanpakken en ervaringen te combineren slaagden ze erin om een qubit op silicium te isoleren. Een huzarenstukje, die alleen bereikt kon worden doordat wetenschap en praktijk samenwerkten. Het brengt de quantumcomputer weer een stap dichterbij.
“We maken de qubits in twee stappen”, legt Anne-Marije uit. “Eerst creëren we een zogeheten quantum dot, een soort doosje waarin we een elektron vangen. Dat doosje definiëren we met elektrische spanningen die we op elektrodes aanbrengen. De tweede stap is het maken en manipuleren van qubits met deze quantum dot. Door dit op deze manier te produceren lijken de qubits op de huidige computerchips die op grote schaal al worden gemaakt.”
En zo rolden er dus voor het eerst spiksplinternieuwe technologie uit de grijze gebouwen van Intel. Door corona konden Anne-Marije en Tobias de panden van Intel maar een paar keer bezoeken. “Het lijkt een beetje op een campus van een universiteit”, aldus Anne-Marije. “Maar dan wel wat mysterieuzer. Er is erg veel beveiliging. Toen ik naar de wc moest, liep er zelfs een beveiliger mee. Je mag ook geen foto’s maken. Het is jammer dat we er niet vaker zijn geweest. Maar we konden gelukkig goed samenwerken op afstand. We hielden online meetings en we wisselden monsters uit van wat we maakten. Toen het allemaal was gelukt stuurden ze een fles champagne naar ons kantoor en hebben we via een videoverbinding samen geproost.”
