Hoe het bevriezen van elektronica qubits helpt controleren

Onderzoekers van Fujitsu en QuTech hebben nieuwe, ultrakoude elektronica ontwikkeld om op diamanten gebaseerde kwantumbits te besturen. Als resultaat van hun gezamenlijke onderzoeksproject zal het mogelijk zijn om grotere kwantumcomputers te bouwen door het ‘bedradingsknelpunt’ te overwinnen, terwijl de prestaties van hoge kwaliteit behouden blijven. In feite kunnen zowel de kwantumbits als de besturingselektronica eenvoudig worden aangestuurd in een compacte cryogene koelkast. De onderzoekers publiceren hun resultaten in het IEEE ISSCC.

De functionele kwantumcomputer van de toekomst zal miljoenen kwantumbits of ‘qubits’ bevatten. Ze zullen complexe problemen veel sneller kunnen verwerken dan klassieke computers, vooral op gebieden als cryptografie, optimalisatie en simulatie. Bovendien zullen ze problemen kunnen oplossen die onmogelijk zijn voor klassieke computers, wat een belangrijke mijlpaal is in de geschiedenis van de computer.

Dicht bij het absolute nulpunt
Voordat dat gebeurt, moeten er enkele uitdagingen worden overwonnen. Eén daarvan is het handhaven van de extreem lage temperatuur waarbij de qubit normaal functioneert. Qubits maken gebruik van extreem kwetsbare kwantumeffecten die door veel dingen worden veranderd, zoals zelfs de kleinste hoeveelheid warmte. Daarom worden de qubits gekoeld tot de koudst mogelijke temperaturen, dichtbij het absolute nulpunt: 0 Kelvin (of -273°C).

Het is een hele prestatie om iets tot die temperatuur te koelen: het zou zonde zijn als er warmte in het hart van een kwantumcomputer lekt terwijl deze bezig is met berekeningen. Die hitte zou de informatie in de qubit onmiddellijk vernietigen, waardoor elke kwantumcomputer onbetrouwbaar en onbruikbaar zou worden. Het is nu gebruikelijk om sommige qubits voldoende koel te houden door ze in een kleine cryogene koelkast te plaatsen en ze met wat draden aan te sluiten op elektronica buiten de koelkast. Maar het is heel lastig om duizenden of zelfs miljoenen qubits te verbinden met hetzelfde aantal draden dat uit de koelkast komt. Zoveel draden tussen koude qubits en elektronica op kamertemperatuur hebben een dramatische invloed op de betrouwbaarheid, productie en grootte van apparaten.

Bevries die elektronica!
Waarom bevriezen we niet de hele computer, in plaats van alleen de qubits? Dit is gemakkelijker gezegd dan gedaan, omdat de meeste elektronische apparaten slechts bestand zijn tegen omgevingstemperaturen van -40°C tot +125°C, temperaturen die veel hoger zijn dan de temperatuur van de typische qubit. Maar dit is precies wat onderzoekers en ingenieurs van QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, deden. Ze gebruikten cryo-CMOS-hardware om de extreme temperaturen van een qubit-koeler te weerstaan, zonder dat dit ten koste ging van de prestaties en schaalbaarheid van het hele systeem.

Hoofdonderzoeker Fabio Sebastiano (QuTech en TU Delft) legt uit: “Bij het ontwerpen van elektrische systemen is er altijd een balans tussen prestatie en vermogen: een toename van het één betekent een afname van het ander. Onze uitdaging is om hoge prestaties te verkrijgen en tegelijkertijd het stroomverbruik niet beperken. Dit is van cruciaal belang omdat te veel stroom de cryokoeler die wordt gebruikt om het systeem op een lage temperatuur te houden, kan oververhitten. We gebruiken specifieke cryogene elektronische controllers (cryo-CMOS-controllers) om het knelpunt van het lichter maken van de interconnectie te elimineren: nu hebben “minder draden nodig om de cryokoeler binnen te gaan, wat de schaalbaarheid van de hele kwantumcomputer aanzienlijk verbetert.”

Zijn collega (ook QuTech en TU Delft) en hoofdonderzoeker Masoud Babaie voegt hieraan toe: “Om cryo-CMOS-controllers verder te verfijnen, is een gecombineerde ontwerpaanpak van elektronica en quantumprocessors nuttig. Hierbij gaat het om het strategisch rangschikken van de qubits en het verbinden ervan met de controllers. Elk “kwantumplatform vereist een zorgvuldig onderzoek van de signaalbehoeften en controlleroptimalisatie om schaalbaarheid te bereiken, met de nadruk op het verminderen van het stroomverbruik en de fysieke omvang. “Dit is essentieel voor de ontwikkeling van grotere kwantumcomputers.”

Dr. Shintaro Sato, lid, senior vice-president en directeur van het Quantum Laboratory bij Fujitsu Research, Fujitsu Limited, legt uit: “Bekabeling tussen besturingscircuits en qubits is een veel voorkomend probleem bij het opschalen van kwantumcomputers. De resultaten van ons gezamenlijke onderzoek onderstrepen” potentieel van cryo-CMOS-technologie voor diamantspinqubits om dit knelpunt te overwinnen. We hopen dat de nieuwe technologie ons in staat zal stellen de hoge schaalbaarheid te bereiken die wordt verwacht in kwantumcomputers die diamantspinqubits gebruiken.”

Van spinqubits tot diamant
Eerder bereikten onderzoekers een cryogene controller voor spinqubits in silicium. Hoewel dergelijke spinqubits (in principe) naast cryogene elektronica kunnen worden vervaardigd in een standaard geïntegreerd circuitproces (bijvoorbeeld CMOS), hebben de hier gebruikte diamantqubits nog andere voordelen. Ze hebben een betere betrouwbaarheid, kunnen gemakkelijker op afstand verbinding met elkaar maken, waardoor er ruimte ontstaat voor elektronica in de buurt, en kunnen werken op een (relatief) hogere temperatuur. De hogere werktemperatuur is vooral relevant voor elektronica, omdat werken bij 1 Kelvin (-272,15°C) moeilijk maar gemakkelijker is dan werken bij 0,020 Kelvin.

Volgende stappen
Het werk markeert voor het eerst een belangrijke stap in het demonstreren van cryogene elektronica voor diamantqubits. Hoewel de zeer belangrijke eerste stap van het besturen van een enkele qubit met cryogene elektronica al is bereikt, werken onderzoekers aan alle kanten al aan de volgende stappen.
het toevoegen van andere noodzakelijke functionaliteit, zoals het uitbreiden van 1-qubit-bewerkingen naar 2-qubit-bewerkingen en het implementeren van qubit-leesfunctionaliteit, en in het algemeen uitbreiden naar grotere kwantumprocessors.

Publicatiedetails
“Een cryo-CMOS-controller met DE-klassecontroller en DC-magneetveldafstemming voor op kleurcentra gebaseerde kwantumcomputers”, L. Enthoven, N. Fakkel, H. Bartling, M. van Riggelen, KN. Schymik, J. Yun, E. Tsapanou Katranara, R. Vollmer, T. Taminiau, F. Sebastiano, M. Babaie, 2024, IEEE International Solid State Circuits Conference (ISSCC).