De strijd om de beste qubit

Een andere qubittechnologie waar in Delft aan gewerkt wordt, zijn spinqubits. Hierbij worden quantumfysische spintoestanden van bijvoorbeeld elektronen gebruikt. Elektronen kunnen zich in een spin up- of spin down-toestand bevinden. Om deze eigenschap te gebruiken als een qubit, moet je elektronen vangen. Dat kan bijvoorbeeld met een quantumdot die dienstdoet als een kooitje voor een elektron. “Het voordeel is dat deze qubits klein zijn, waardoor er in theorie veel van op een enkele chip passen. Daarbij hebben ze een relatief lange coherentietijd, in de orde van milliseconden”, zegt Anne-Marije Zwerver. “Daarnaast worden ze gemaakt met halfgeleiders, wat betekent dat we voordeel kunnen hebben van de bestaande halfgeleiderindustrie. Het is ons bijvoorbeeld onlangs gelukt om een qubit te maken op een chip die op Intels productielijn is gefabriceerd.”

Het lastige is dat ook deze qubits een temperatuur van enkele millikelvin tot hooguit enkele kelvin nodig hebben. “Een andere uitdaging is dat je nu nog drie of vier lijnen nodig hebt om ze aan te sturen. Die moeten ook allemaal de koelkast in.” Dat is beduidend meer dan de drain, de source en het gatesignaal dat transistors nodig hebben. Delftse onderzoekers die samenwerken met Intel, kunnen op dit moment quantumsysteempjes tot zes van deze qubits maken.

Een andere spinqubittechnologie waar in Delft aan wordt gewerkt, zijn zogeheten NV-centers in diamant. Dit is de combinatie van een stikstofatoom en een gat in een diamantrooster. In deze onregelmatigheid zijn elektronen gevangen waarvan de gezamelijke spin dienstdoet als qubit. “De diamant werkt als een grote isolatieverpakking, waardoor deze qubits stabiel zijn en een coherentietijd tot een seconde kunnen hebben. Het kan zelfs oplopen tot meer dan een minuut als je de elektronenspin kunt koppelen aan een naburige spin van een koolstofatoomkern”, vertelt Sophie Hermans, promovendus bij QuTech, die in samenwerking met Fujitsu werkt aan NV-centers. “Het nadeel is dat een gate-operatie met zo’n kernspin relatief lang duurt, tot een halve milliseconde.”

Deze qubits zijn geschikt voor quantumcommunicatie omdat ze gekoppeld (verstrengeld) kunnen worden met fotonen die je vervolgens via een glasvezel kunt versturen. Opschalen van deze systemen is lastiger, omdat de diamanten weliswaar kunstmatig gekweekt worden, maar je niet kunt kiezen waar de NV-centers komen en of ze goed aan te sturen zijn. Daarvoor ben je nu grotendeels afhankelijk van toeval. Hermans: “Er wordt wel onderzoek gedaan naar manieren om NV-centers te schrijven, of om met een laserpuls een NV-center op een gewenste plek te creëren.

QuTech NV-center — Foto van de chip met diamant in het midden en microscoopafbeelding van de diamantchip met onder elk koepeltje een klein register qubits. Bron: QuTech

De laatste qubittechnologie die vooraan loopt in de race, zijn fotonen. De tweede quantum-advantageclaim kwam immers van Chinese onderzoekers met een fotonische quantumcomputer. “Zij gebruikten de fotonen strikt genomen niet als qubits”, zegt Pepijn Pinkse, die werkt aan fotonische quantumsystemen. “Ze gebruikten quantumeigenschappen van fotonen, maar het waren geen qubits met (een superpositie van) een 0-en-1-toestand.” Het fotonische systeem, dat bestond uit vijftig fotonen die in honderd lichtbundels door een netwerk van beamsplitters bewogen, kon ook maar één berekening uitvoeren, het zogeheten bosonsamplingprobleem. Om er een ander probleem mee aan te pakken, zou je een compleet nieuwe configuratie moeten maken. Het systeem is dus niet programmeerbaar.

“Maar dat kan wel”, zegt Pinkse. “Geïntegreerde optica is bij uitstek geschikt om complexe, programmeerbare netwerken voor licht te maken”. De uitdaging daarbij is het maken van gates voor fotonen. Dat is lastig omdat ze nauwelijks met elkaar wisselwerken. Pinkse: “Ze gaan dwars door elkaar heen. Daarom bestaan de lightsabers uit Star Wars niet. Om nuttige fotongates te bouwen, heb je een ion of atoom tussen twee spiegels nodig die de wisselwerking faciliteert. Dat is lastig en lukt nog niet op een schaalbare manier. Een CNOT-gate-operatie, het quantumequivalent van een reversible XOR-gate, lukt bijvoorbeeld maar met 25 procent van de fotonen. Gelukkig worden er ook speciale quantumalgoritmes ontwikkeld die zo’n CNOT niet nodig hebben en die wel goed op te schalen zijn.”

Een programmeerbare quantumcomputer bouwen met een flink aantal fotonische qubits is voorlopig nog lastig. Als het lukt, heb je een systeem met stabiele qubits waarmee je bovendien een gedistribueerd netwerk kunt bouwen waar je fotonen tussen heen en weer kunt sturen. Fotonen zijn de enige qubits die je kunt transporteren en ze werken bij kamertemperatuur. “De detectoren zijn wel supergeleidende systemen die tot vlak boven het absolute nulpunt gekoeld worden”, zegt Pinkse. “Ook de bronnen moeten vaak gekoeld worden, maar die technieken zijn goed ontwikkeld en commercieel te verkrijgen.”