QuTech maakt schaalbare processor met vier halfgeleiderqubits

Onderzoekers van het Delftse instituut QuTech hebben een quantumprocessor met vier qubits op basis van halfgeleidertechnologie in een raster ontwikkeld. Volgens de onderzoekers gaat het om een mijlpaal voor schaalbare quantumtechnologie.

Wetenschappers van de groep van Menno Veldhorst van QuTech slaagden er in vier quantum dot-qubits in een raster van twee bij twee te koppelen. De quantum dot-qubits zijn gemaakt op basis van elektron-gaten in germanium. De groep claimt goede controle over de qubits te hebben en het gebruik van germanium op een siliciumsubstraat zou voordelen voor opschalen bieden.

Germanium is compatibel met de technologie voor halfgeleiderfabricage en de groep hoopt zo mee te liften op de kennis en ontwikkeling van de klassieke computingtechnologie. Door de qubits compatibel met de productie van halfgeleidertechnologie te maken, zou opschalen naar grote hoeveelheden qubits tot de mogelijkheden kunnen gaan behoren, zo is de gedachte.

In 2019 ontwikkelde de onderzoeksgroep de eerste qubit op basis van germanium, in 2020 kondigde QuTech berekeningen met twee van deze qubits aan en nu gaat het om een chip met vier qubits. De groep heeft berekeningen uitgevoerd door alle qubits met elkaar verstrengelen. "Door de qubits in een twee-bij-twee raster te plaatsen weten we nu hoe we ze in verschillende richtingen kunnen controleren en koppelen", aldus Veldhorst. Hij vertelde Tweakers meer over de doorbraak in een interview dat als Plus-artikel is verschenen.

De onderzoekers publiceerden hun werk in Nature onder de titel A four-qubit germanium quantum processor, waar vorig jaar al een pre-publicatie van beschikbaar kwam.

Menno Veldhorst en Nico Hendrickx van QuTech, foto: Marieke de Lorijn

Reacties (27)

[period!]

@itlee
Ja dit is ook ingewikkeld,
Ze maken o.a. gebruik van het feit dat in de quantum wereld bepaald deeltjes bv electronen zich gedragen als een golf.
Als je dat beter wil begrijpen kan je misschien beginnen met een youtube filmpje over het " double slit experiment"

https://youtu.be/A9tKncAdlHQ

[Reactie gewijzigd door period! op 23 juli 2024 12:13]

[Vlizzjeffrey]

Superposition, echt super interessante materie, ik probeer het nog steeds te snappen.

[MrMonkE]

Dat is echt een mindf*** dat experiment.

[ocwil]

zou de volgende stap 9 (3x3) zijn of zouden ze gelijk voor 16 (4x4) gaan?

[South_Styler]

Ik denk, op basis van het artikel dat ze eerst voor 8 zullen gaan en dan 16 in een 4x4 raster. Die ontwikkelingen zullen elkaar wel relatief snel opvolgen. Je ziet ook dat de tijd tussen de ontwikkelingen aan het afnemen is - al duurt het nog zeker lang in technologie termen.

[robvanwijk]

zou de volgende stap 9 (3x3) zijn of zouden ze gelijk voor 16 (4x4) gaan?

Da's wel erg optimistisch, ik verwacht eerder dat de volgende stap 8 qubits zal zijn:

De groep heeft berekeningen uitgevoerd door alle qubits met elkaar verstrengelen.

Met twee bits heb je 1 verstrengeling, met vier bits zijn dat er 6 en met acht bits zit je meteen al aan 8*7*6*..*1 / 2 = 20.160. Dat lijkt me een sprong die groot genoeg is voor "een interessante uitdaging" (en een publiceerbaar resultaat ). Tegen de tijd dat we bij zestien bits zijn aangekomen zou je, om alles met elkaar te verstrengelen, ruim 10 teraverstrengelingen (16! / 2 ~= 10,46 * 10¹²) nodig hebben.
Edit: ik reken helemaal verkeerd, sorry! Zie de reactie van @Honbrifcl voor de correcte berekening.

Je kunt het een beetje vergelijken met de Flash chips in SSDs: die gaan van SLC naar MLC (had eigenlijk DLC moeten heten), vervolgens naar TLC en uiteindelijk QLC. Dat klinkt raar: waarom groeit het lineair en niet gewoon elke keer een verdubbeling? Hoewel er elke keer maar één bit per cel bijkomt, is dat wel degelijk een verdubbeling, namelijk van het aantal mogelijke waarden in elke cel en dus het aantal voltages dat je moet kunnen onderscheiden. De namen zijn verkeerd, SLC heeft twee voltage levels, MLC heeft er vier, TLC acht en QLC zestien. Of we ooit een 8-bit cell gaan halen durf ik niet te zeggen, maar áls we daar ooit komen dan is het pas nadat we eerst, stapje voor stapje, de 5-bit, 6-bit en 7-bit cell gehad hebben. Bij quantum computing schaalt het aantal verstrengelingen nog veel harder, dus ik vrees dat de groei van het maximum aantal qubits per berekening erg langzaam zal gaan.

In 2019 ontwikkelde de onderzoeksgroep de eerste qubit op basis van germanium, in 2020 kondigde QuTech berekeningen met twee van deze qubits aan en nu gaat het om een chip met vier qubits.

Elk jaar een verdubbeling van het aantal bits ^*) ? De Wet van Moore mag dan dood zijn, dit klinkt als het begin van de Wet van QuMoore

Ja ja, niet hetzelfde als een transistor, ik weet het. En nergens staat dat het in dezelfde hoeveelheid chipoppervlakte past, dat klopt. De vergelijking klopt "net niet helemaal".

[Reactie gewijzigd door robvanwijk op 23 juli 2024 12:13]

[Honbrifcl]

Met twee bits heb je 1 verstrengeling, met vier bits zijn dat er 6 en met acht bits zit je meteen al aan 8*7*6*..*1 / 2 = 20.160.

Ik ken me absoluut niet uit in de techniek, maar ik snap de berekening niet, in genoemd voorbeeld lijkt het niet consequent. Volgens de laatste rekenwijze die bij 8 wordt gehanteerd zou bij vier bits gelden 4*3*2*1/2 = 12.
Is het aantal verstrengelingen niet de som van alle mogelijke combinaties, dus bij 4: 3+2+1 = 6 en bij 8 dus 7+6+...+1 = 28?

[Veldhorstm]

In tegenstelling tot een bit, kan een qubit in een superpositie staan van de waarden 0 en 1. Qubits kunnen ook verstrengeld zijn. Twee qubits kunnen zo vier waarden aannemen. Drie 8. Dan 16, 32,... Dus de complexiteit kan exponentieel schalen.

[Reactie gewijzigd door Veldhorstm op 23 juli 2024 12:13]

[JSDJ]

Zoals @Veldhorstm al aangeeft (ik denk dat dit Menno Veldhorst zelf is, dank je Menno!) is de essentiele schaling exponentieel. De totaal mogelijke combinaties zou wel gegeven worden door 1*2*3*4.... en niet door de optelsom. Maar de 'kracht' zit hem in iets anders:
Als ik 1 bit heb, dan is zijn er 2 verschillende states: 0 of 1. Twee bits geeft twee keer twee = 4 verschillende states, 3 bits geeft 2*2*2 = 2^3 = 8, 4 bits 2^4 en n bits geeft 2^n.

Een rits gewone bits heeft dus ook gewoon 2^n verschillende states. That's it - ze kunnen slechts in maar een van deze states zijn. Alleen, qubits kunnen ook in een superpositie van al die verschillende states tegelijkertijd verkeren: een combinatie van elke state, waarbij elke state zijn eigen 'hoeveelheid' binnenin de superpositie krijgt. Dat geeft dus de mogelijkheid om in 2^n verschillende states tegelijkertijd te zitten - en elke state krijgt zijn eigen amplitude: 'hoeveel' van specifiek deze state draagt bij aan de volledige state?.

Om een n-qubit systeem te beschrijven moet je dus 2^n amplitudes tegelijkertijd beschrijven - deze exponentiele schaling is niet bij de benen, en daarom zijn quantum computers niet te simuleren op een klassieke computer.

Om vervolgens te gaan rekenen met de qubits, moet je gebruik maken van nog wel meer eigenaardigheden. Je kan nooit voor 'alle mogelijke inputs in een superpositie' tegelijkertijd je berekening doen, en dan het juist antwoord er zomaar uittoveren (helaas). Je moet eerst hele slimme trucjes uithalen om 'het juiste antwoord naar voren te schuiven' - en dit werkt (vooralsnog) alleen maar met een zeer select aantal berekeningen.

[Reactie gewijzigd door JSDJ op 23 juli 2024 12:13]

[itlee]

Na 25 Jr ict dacht ik dat ik wel alles begrijpend kon lezen.... Maar wat hier staat snap ik helemaal niks van

[LeonM]

Dit is ook eerder elektrotechniek en andere natuurkunde, niet zozeer computerwetenschap.

Waar het op neer komt is dat het deze onderzoekers is gelukt om een qubit (bouwsteen voor quantum computer) op een vergelijkbare manier te produceren als een transistor (bouwsteen voor een 'klassieke' computer).

Dit is dus een proof-of-concept van een technologie die het (mogelijk) makkelijker (en goedkoper) moet maken om quantum computers te bouwen.

[blorf]

Naar mijn idee is dat pas het geval als er aantoonbaar een berekening mee uitgevoerd kan worden op een manier die het in tijdsduur wint van een een "conventioneel" halfgeleider-systeem, Een bepaalde stap in het proces moet sneller tot een eindresultaat leiden dan de tot nu toe gebruikte logic bewerkingen AND, OR, etc...

[MSalters]

Dat is al heel lang het geval met de D-Wave Quantum Annealing systemen. Voor minimalisatie-taken is die veel sneller dan klassieke logica, en laat dat nu een belangrijk onderdeel van AI training zijn.

Overigens is de klassieke fundamentele bewerking de NAND, niet de AND of OR. Dat komt elektrisch handiger uit.

[blorf]

Wikipedia:
With demonstrations of entanglement published the question of whether or not the D-Wave machine can demonstrate quantum speedup over all classical computers remains unanswered. A study published in Science in June 2014, described as "likely the most thorough and precise study that has been done on the performance of the D-Wave machine" and "the fairest comparison yet", attempted to define and measure quantum speedup. Several definitions were put forward as some may be unverifiable by empirical tests, while others, though falsified, would nonetheless allow for the existence of performance advantages.

[itlee]

Kijk dit snap ik 👌🏻 Thnx.

[Vlizzjeffrey]

Ik begrijp ook nog weinig van quantum mechanica maar ik vind het wel zeer interessant, lijkt bijna onwerkelijk.

[LordLuc]

Zou je goed kunnen gamen op een kwantumsysteem.

[Vlizzjeffrey]

Ik hoop dat we dat nog mogen meemaken, kan me niet voorstellen hoe de wereld er dan uit gaat zien, wat zal er allemaal kunnen gedaan worden met zulke rekenkracht, volgens mij gaan we interessante tijden tegemoet de komende decenia.

[vrmeulen]

Dat hangt ervan af van welke spelletjes je houdt Call of Duty wordt lastig maar misschien wel boter-kaas-en-eieren?

[blorf]

Waarschijnlijk wel. Volgens mij is het idee dat de quantum-versie van een bepaalde binaire comparison tegelijkertijd uitgevoerd kan worden met maar 1 component, die een aantal transistoren + bedrading vervangt. Dit moet games een exponentiele stap voorwaarts geven bij het berekenen en weergeven van een situatie/wereld.

[lezzmeister]

Nee. Het hangt helemaal af van het soort berekening, niet alles vertaald goed naar kwantumprocessors.

[blorf]

Afgezien van de mogelijkheden mbt berekeningen is ook het gewoon vasthouden van informatie significant anders.
Wikipedia: For a system of n components, a complete description of its state in classical physics requires only n bits, whereas in quantum physics it requires 2n complex numbers.

Dat komt nog wel. We zitten nu nog in de wetenschappelijke fase.

[Verwijderd]

Ja joh alle vijanden dood met 1 schot.

[DefaultError]

Ben benieuwd wanneer er een Click & Collect komt een een berekening te kunnen uitvoeren;-)

[Akrobat501]

In zekere mate is het al mogelijk om zelfgeschreven programma’s op QuTech’s machines te draaien, zie https://www.quantum-inspire.com/

[DefaultError]

Dit is precies waar het naar toe gaat en de volgens mij de ‘level’ manier om het toegankelijk te maken voor een breder publiek.

[beerse]

Medio 2019: 1 qubit; Januari 2020: 2 qubit; Maart 2021: 4 qubit. Zal de wet van Moore (https://nl.wikipedia.org/wiki/Wet_van_Moore) weer gaan gelden? Mogelijk met een iets andere 'periode' maar ik zie een patroon ontstaan.