Een cryogene controllerchip opent de deur naar het oplossen van de ‘bedradingsbottleneck’ en vervolgens naar het realiseren van een volledig geïntegreerde, schaalbare quantumcomputer. Een speciaal ontworpen chip om qubits te besturen kan werken bij extreem lage temperaturen, en opent de deur naar het oplossen van deze bottleneck. Onderzoekers en ingenieurs van QuTech en Intel hebben samen de cryogene chip ontworpen en getest en een belangrijke stap gezet op weg naar een schaalbare quantumcomputer. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
Lieven Vandersypen
Elke basiseenheid van een quantumcomputer, een qubit, wordt doorgaans individueel aansturen door een enkele ‘draad’. Dit staat een schaalbare quantumcomputer in de weg, want miljoenen qubits zouden miljoenen van die draden vereisen’, legt hoofdonderzoeker Lieven Vandersypen uit. Deze hindernis wordt de ‘bedradingsflessenhals’ genoemd. In traditionele computers heeft een moderne processor met miljarden transistoren slechts een paar duizend aansluitingen. Het bedradingsprobleem wordt nog verergerd door de cryogene temperaturen waarbij qubits werken (20 millikelvin, of ongeveer -273 graden Celsius), en het feit dat de elektronica om de qubits te besturen op kamertemperatuur werkt. Conventionele chips kunnen de extreme temperaturen gewoon niet verdragen, dus is er een nieuwe cryogene controlechip ontworpen en getest.
Controller en qubits op dezelfde chip
Ingenieurs van Intel en QuTech – een samenwerking tussen de Technische Universiteit Delft en TNO – ontwierpen een speciale op silicium gebaseerde geïntegreerde schakeling die bestand is tegen de kou (3 graden Celsius boven het absolute nulpunt) en ook qubits kan aansturen. De zogenaamde “Horse Ridge”-chip is genoemd naar de koudste plaats in Oregon, de staat waar het Intel-lab is gevestigd.
‘We hebben dezelfde technologie gebruikt als voor de conventionele microprocessor, de CMOS-technologie. Voor Horse Ridge hebben we specifiek gebruik gemaakt van de Intel 22nm low-power FinFET-technologie’, aldus mede-hoofdonderzoeker Edoardo Charbon. ‘Omdat elektronische apparaten bij cryogene temperaturen heel anders werken, hebben we speciale technieken gebruikt in het chipontwerp, zowel om de juiste chipwerking te garanderen als om de qubits met hoge nauwkeurigheid aan te sturen.’ Uiteindelijk kunnen de controllerchip en de qubits op dezelfde chip (omdat ze allemaal in silicium zijn gefabriceerd) of in hetzelfde pakket worden geïntegreerd, waardoor het knelpunt van de bedrading nog verder wordt weggenomen.
Lees Link magazine digitaal of vraag een exemplaar op: mireille.vanginkel@linkmagazine.nl
Hoge getrouwheid en goede programmeerbaarheid
Om de kwaliteit van de cryogene controlechip van Horse Ridge te beoordelen, werd deze vergeleken met een klassieke controlechip op kamertemperatuur. Het blijkt dat de poortgetrouwheid – ‘gate fidelity’ – van het systeem zeer hoog is (99,7%) en niet wordt beperkt door de controller maar door de qubits zelf. Dat is goed nieuws voor de prestaties van de cryogene controlechip.
Vervolgens werd de programmeerbaarheid van de controller gedemonstreerd met behulp van een twee-qubit kwantumalgoritme. Het Deutsch-Jozsa-algoritme is een van de eenvoudigste algoritmen die op een quantumcomputer veel efficiënter is dan op een traditionele computer. Dit demonstreert de mogelijkheid om de controlechip te programmeren met willekeurige reeksen bewerkingen, en opent de weg naar on-chip implementatie en een werkelijk schaalbare quantumcomputer.
