Ultrakoude elektronica om op diamanten gebaseerde kwantumbits te besturen

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.

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.

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 heel moeilijk om duizenden of zelfs miljoenen qubits te verbinden met zoveel draden die uit de koelkast komen. Zoveel draden tussen koude qubits en elektronica op kamertemperatuur hebben een dramatische invloed op de betrouwbaarheid, productie en grootte van apparaten.

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.

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.