Wordt de quantum computer van silicium?

Pirouetjes draaien, links- en rechtsom tegelijk. De ongerijmde, bijna magische limbo’s die elektronen in quantumbits maken met hun magnetische momenten (‘spins’) beloven veel moois. Door quantummechanische capriolen uit te buiten zou je met quantumbits – ook bekend als qubits – krachtige computers moeten kunnen maken die ingewikkelde rekenproblemen oplossen die zelfs voor de beste supercomputers te omvangrijk zijn. Lees hier meer over het principe daarachter.

Maar vooralsnog bakken qubits er weinig van. Ze zijn instabiel – uiterst gevoelig voor ruis van buitenaf – en veranderen snel van toestand. Daardoor worden er continu fouten geïntroduceerd. Fouten moeten sneller hersteld worden dan dat ze opduiken. Dat is de heilige graal in het onderzoek naar quantumrekenen.

Dat dit mogelijk is (theoretisch in ieder geval), tonen hoogleraar quantum-nanowetenschappen Lieven Vandersypen en zijn collega’s van QuTech (het samenwerkingsverband tussen de TU Delft en TNO op het gebied van de quantumtechnologie) deze maand in Nature. Het team slaagde erin om twee qubits in silicium met ongekend hoge nauwkeurigheid informatie met elkaar te laten uitwisselen.

Vandersypen ontving vorig jaar een van de vier Spinozapremies – ook wel de ‘Nederlandse Nobelprijzen’ genoemd. NWO schreef toen dat ze ervan overtuigd is dat Vandersypen de ‘grote wetenschappelijke en technologische doorbraken kan realiseren die nodig zijn om de beloften van de quantumcomputer waar te maken’.

Geen boosaardig ruimtewezen
Het onderzoek haalde de cover. Op het voorblad van het tijdschrift prijken twee felrode stippen omgeven door vier bloembladvormige turquoise oplichtende uitstulpingen. Het is geen boosaardig ruimtewezen dat de lezer aanstaart, maar een artist’s impression van verstrengelde qubits. Ze vormen samen een 2-qubit-schakeling.

Deze 2-qubit-schakeling rekent vrijwel foutloos. Ze haalt een betrouwbaarheid van ruim 99 procent. Dat betekent dat er bij honderd bewerkingen gemiddeld minder dan één fout optreedt.

Twee andere teams, één uit Australië (UNSW Sydney) en één uit Japan (Institute of Physical and Chemical Research/Riken) behaalden vergelijkbare resultaten en publiceerden hun bevindingen in hetzelfde nummer.

‘Vanaf hier kan de foutencorrectie het winnen van de foutencreatie’

“Een betrouwbaarheid van 99 procent is een mijlpaal”, zegt de eerste auteur van de Delftse studie, Xiao Xue. “Het wordt algemeen beschouwd als een drempelwaarde. Vanaf dat percentage kan de foutencorrectie het winnen van de foutencreatie.”

In een begeleidende analyse in Nature stellen experts, die niet bij het onderzoek betrokken waren, dat het nog wel een hele kluif zal zijn om die betrouwbaarheid te handhaven naarmate meer qubits aan elkaar worden gekoppeld.

Toch is ook Nature onder de indruk. Met de drie studies is volgens het tijdschrift een grote horde genomen, getuige het onderschrift dat Nature bij de artist’s impression plaatste: Silicon qubits cross key error-correction threshold for quantum computing (silicium qubits overschrijden belangrijke foutcorrectiedrempel voor quantum computing).

Vergelijkbare nauwkeurigheden werden enkele jaren eerder al bereikt door andere onderzoeksgroepen, maar die werkten niet met silicium, het materiaal waar de huidige chipindustrie op is geënt. Een op silicium gebaseerde quantumtechnologie kan voortborduren op de kennis en ervaring die al bestaat in de chipindustrie. De doorbraak is dan ook goed nieuws voor chipfabrikant Intel, waarmee de Delftenaren geregeld samenwerken, die met silicium-qubits concurrenten de loef hoopt af te steken.

Google, IBM en Microsoft investeren ook miljarden om als eerste een goed werkende quantumcomputer te ontwikkelen. Google en IBM hebben hun hoop gevestigd op qubits in de vorm van elektrische stroompjes door supergeleidende circuitjes. Ze hebben al tientallen qubits aan elkaar weten te rijgen. Maar de ringetjes zijn relatief groot en moeten gekoeld worden tot vlak boven het absolute nulpunt, 273 graden onder nul. Die combinatie – grootte en extreme koeling – maakt verdere opschaling lastig.

Microsoft, dat ook met QuTech samenwerkt, hoopt onder meer met de illustere Majoranadeeltjes tot een quantumcomputer te komen. Maar die deeltjes laten zich erg moeilijk vangen. In 2018 meenden Delftse onderzoekers Majoranadeeltjes te hebben waargenomen in hun lab. Maar dat bleek achteraf onjuist. Een Nature-artikel moest worden ingetrokken.

‘Veel van de betrokken onderzoekers uit de verschillende landen kennen elkaar goed’

Dat de drie onderzoeksgroepen gelijktijdig met ongeveer dezelfde bevindingen kwamen, was niet gepland. Maar het kwam ook niet echt als een verrassing. “Veel van de betrokken onderzoekers uit de verschillende landen kennen elkaar goed”, zegt Xue.

In het siliciumqubitwereldje werkt men nauw samen. Zo werd het silicium- en silicium-germaniummateriaal, dat door de Delftse en Japanse groepen werd gebruikt, in Delft vervaardigd en tussen de twee groepen uitgewisseld. Het isotopisch gezuiverde siliciummateriaal waar de Australiërs mee experimenteerden, kwam uit Japan. Belangrijke software die de doorbraak mogelijk maakte werd geschreven door Sandia National Laboratories in de Verenigde Staten, die het voor iedereen ter beschikking stelden.

Ook personen gingen heen en weer. Mateusz Mądzik, de eerste auteur van de Australische studie, werkt nu als postdoc in het lab van Vandersypen. Een andere auteur van het Australische artikel, Serwan Asaad, heeft aan de TU Delft gestudeerd. En Lieven Vandersypen spendeerde in 2016, tijdens een sabbatical, vijf maanden in het lab in Sydney.

De publicaties in Nature illustreren volgens Xue mooi hoe vruchtbaar het vrije verkeer van ideeën, mensen en materialen kan zijn.