Halfgeleider qubits schaal in twee dimensies

CPU’s zijn gebouwd met behulp van halfgeleidertechnologie, die miljarden transistors op een enkele chip kan plaatsen. Nu hebben onderzoekers uit de groep van Menno Veldhorst van QuTech, een samenwerking tussen TU Delft en TNO, aangetoond dat deze technologie kan worden gebruikt om een ​​tweedimensionale array van qubits te bouwen die als kwantumprocessor functioneren. Hun werk, een cruciale mijlpaal voor schaalbare kwantumtechnologie, werd vandaag gepubliceerd in Natuur​

Kwantumcomputers hebben het potentieel om problemen op te lossen die met klassieke computers onmogelijk kunnen worden aangepakt. Terwijl de huidige kwantumapparaten tientallen qubits bevatten – de basisbouwsteen van de kwantumtechnologie – zal een toekomstige universele kwantumcomputer die elk kwantumalgoritme kan uitvoeren waarschijnlijk bestaan ​​uit miljoenen tot miljarden qubits. Quantum dot-qubits beloven een schaalbare benadering te zijn, aangezien ze kunnen worden gedefinieerd met behulp van standaard fabricagetechnieken voor halfgeleiders. Veldhorst: “Door vier van dergelijke qubits in een twee-bij-twee-raster te plaatsen, universele controle over alle qubits te demonstreren en een kwantumcircuit te exploiteren dat alle qubits verstrengelt, hebben we een belangrijke stap voorwaarts gemaakt in het realiseren van een schaalbare benadering voor kwantumberekeningen. “

Een hele kwantumprocessor

Elektronen gevangen in kwantumstippen, halfgeleiderstructuren van slechts enkele tientallen nanometers groot, worden al meer dan twee decennia bestudeerd als een platform voor kwantuminformatie. Ondanks alle beloften is schaalvergroting voorbij de logica van twee qubits ongrijpbaar gebleven. Om deze barrière te doorbreken, besloten de groepen Menno Veldhorst en Giordano Scappucci een heel andere aanpak te kiezen en gingen ze aan de slag met gaten (dwz ontbrekende elektronen) in germanium. Met behulp van deze benadering kunnen dezelfde elektroden die nodig zijn om de qubits te definiëren, ook worden gebruikt om ze te besturen en te verstrengelen.

“Er hoeven geen grote extra structuren naast elke qubit toegevoegd te worden zodat onze qubits bijna identiek zijn aan de transistors in een computerchip”, zegt Nico Hendrickx, afgestudeerde student in de groep van Menno Veldhorst en eerste auteur van het artikel. “Bovendien hebben we uitstekende controle gekregen en kunnen we qubits naar believen koppelen, waardoor we een, twee, drie en vier qubit-poorten kunnen programmeren, wat zeer compacte kwantumcircuits belooft.”

2D is de sleutel

Na het succesvol maken van de eerste germanium quantum dot qubit in 2019, is het aantal qubits op hun chips elk jaar verdubbeld. “Vier qubits zijn natuurlijk geen universele kwantumcomputer”, zegt Veldhorst. “Maar door de qubits in een raster van twee bij twee te plaatsen, weten we nu hoe we qubits in verschillende richtingen kunnen besturen en koppelen.” Elke realistische architectuur voor het integreren van grote aantallen qubits vereist dat ze op twee manieren met elkaar verbonden zijn.

Germanium als een zeer veelzijdig platform

Het aantonen van vier-qubit-logica in germanium definieert de stand van de techniek op het gebied van kwantumstippen en markeert een belangrijke stap in de richting van dichte en uitgebreide tweedimensionale halfgeleider-qubit-roosters. Naast zijn compatibiliteit met geavanceerde halfgeleiderproductie, is germanium ook een zeer veelzijdig materiaal. Het heeft opwindende fysische eigenschappen zoals spin-orbit-koppeling en het kan contact maken met materialen zoals supergeleiders. Germanium wordt daarom beschouwd als een uitstekend platform in verschillende kwantumtechnologieën. Veldhorst: “Nu we weten hoe we germanium moeten maken en een reeks qubits moeten bedienen, kan de germanium-kwantuminformatieroute echt beginnen.”