Doorbraak voor quantumcomputers

Menno Veldhorst over de schaalbare qubitchip

interview met Menno Veldhorst van QuTech

Onderzoekers van instituut QuTech in Delft hebben een quantumprocessor van vier qubits met behulp van halfgeleidertechnologie gemaakt en publiceren daarover in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. We vroegen QuTech Academy Lead Menno Veldhorst naar het belang van het onderzoek en de realisatie van de 4-qubitchip.

We hebben de afgelopen jaren quantumprocessors van onderzoeksinstellingen en bedrijven als IBM en Google voorbij zien komen. Wat maakt deze quantumprocessor uniek?

"De grote vraag is: kunnen we quantumcomputers maken met dezelfde technieken waarmee we gewone computers maken? Dat is een vraag die meer dan twintig jaar geleden al geponeerd werd. Kunnen we een transistor zo veranderen dat we deze ook voor qubits kunnen gebruiken? In 2015 deed ik een post-doc aan de universiteit van New South Wales in Sydney en daar hebben we in een publicatie laten zien dat we met silicium een 2-quantumbitsysteem kunnen maken."

Dus jullie waren op de goede weg?

"Dat was een belangrijke stap en heeft er mede toe geleid dat er nu wereldwijd onderzoek is door academische en industriële partijen om quantumprocessors met silicium te maken. Sinds die tijd is het echter bij twee qubits gebleven. Je kunt denken, als ik er twee kan maken, kan ik er ook vier maken. Maar twee qubits kunnen net toevallig dicht genoeg bij elkaar zitten voor interactie. Als ik er vier maak, is de kans dat ze precies goed zitten, veel kleiner. Het is belangrijk dat het zich gedraagt zoals je het ontwerpt, niet dat het toevalligerwijze precies goed gaat."

Silicium is het materiaal van klassieke chips, waarom zou je dat eigenlijk willen gebruiken voor quantumchips?

"We zijn op zoek naar schaalbare technologie. Voor relevante rekenproblemen heb je misschien voldoende aan vijftig qubits, maar die moeten dan perfect zijn. We maken daarom gebruik van quantum error correction. Die foutcorrectie zit ook in gewone chips, waarbij je meerdere transistors gebruikt om "De transistor is het door de mensheid meest geproduceerde element"een goede bit te maken. Die overhead zorgt ervoor dat we waarschijnlijk miljoenen tot miljarden qubits nodig hebben voor een heel sterke praktische quantumcomputer. Van transistors weten we dat ze goed schalen. Een miljard transistors op een chip is iets wat dagelijks gefabriceerd wordt. Het is met afstand de meest schaalbare technologie die er is. Anders gezegd: de transistor is het door de mensheid meest geproduceerde element. Als je dus transistors voor qubits kunt gebruiken, kun je wellicht die schaalbaarheid ook gebruiken."

Je wilt veel qubits op een klein oppervlak kunnen plaatsen?

"Precies. Als je quantumbit heel groot is en je maakt er een miljard, wordt de chip ook heel groot. Je wilt ook niet dat ze te klein zijn, want dan kun je ze niet goed bedienen. Van de transistor weten we dat we die goed kunnen bedienen en als je er heel veel maakt, leidt dat nog niet tot een grote chip."

Maar jullie hebben nu een nieuwe draai aan dit onderzoek gegeven?

"Ja, sinds mijn start bij Qutech ben ik samen met collega Giordano Scappucci een nieuwe onderzoekslijn begonnen. Daarbij gebruiken we silicium nog steeds als substraat, maar de qubits maken we in germanium. Dat materiaal heeft veel voordelige eigenschappen. Als een elektron door germanium beweegt, duurt het lang voor deze op een deeltje botst. Het is een schoon materiaal. De eigenschappen zorgen ervoor dat je quantumbit precies daar is waar je hem wilt, met dezelfde vorm en grootte. Als dat zo is, kun je er een tweede naast zetten, en als die ook weer precies op de plek is waar hij moet zijn, kun je ze aan elkaar koppelen."

Quantumcomputers?

Meer informatie over de werking van quantumcomputers en het onderzoek ernaar, lees je in de eerder verschenen artikelen Kwantumcomputers: razendsnel rekenen op de kleinste deeltjes, De race naar een quantumcomputer - Wint Google, IBM of Microsoft? en het Plus-artikel De strijd om de beste qubit - Spinnende elektronen en flitsende fotonen.

En dan zijn er geen obstakels om meer dan twee qubits te koppelen?

"In 2019 hebben we de eerste qubit gerealiseerd. In 2020 hadden we er twee. Nu hebben we vier qubits en daarmee staan we vooraan met deze methode. Dat is indrukwekkend gezien het feit dat dit platform nog zo nieuw is. We weten heel goed hoe we een transistor moeten maken en doen dit nu in een heel goed materiaal. Dat lijkt een krachtige combinatie te zijn."

Maar jullie zitten nog steeds maar op vier. Stapelen de problemen zich niet op als je uitbreidt naar meer?

"Een elementaire stap die we met vier kunnen maken en wat goed blijkt te gaan, is dat we ze in een gridstructuur kunnen plaatsen. Twee qubits kun je alleen in een lijn plaatsen, met vier kunnen we ze in twee richtingen koppelen. Dat maakt veel uit. Natuurlijk, we staan nog aan het begin, maar we begrijpen hierdoor steeds meer hoe we moeten opschalen. De grote hoop is dat we gebruik kunnen maken van de klassieke chiptechnologie en dat die methodes zo compatibel zijn dat we ze kunnen implementeren."

Welke methodes doel je dan op, de productiemethodes?

"Ja, de fabricage is compatibel, maar je kunt aan meer denken. Neem bijvoorbeeld DRAM-technologie, daar wordt gebruikgemaakt van word- en bitlines om heel efficiënt te kunnen adresseren. Een heel interessante gedachte is of we nu op dezelfde manier ook qubits kunnen adresseren. Zo kun je heel efficiënt grotere grids gaan opereren. Het mooie is dat de qubit door onze methode wordt gedefinieerd door een structuur die erg verwant is aan de transistor. We kunnen daardoor steeds de vraag stellen: hoe schaal je een transistor op? Onze aanpak is om zoveel mogelijk kennis van de klassieke technologie te gebruiken voor het maken van quantumtechnologie. Dat kan omdat de aanpak zo verwant is. We gebruiken bijvoorbeeld zelfs dezelfde elektrische signalen."

Bij quantumsystemen denk ik aan enorme stellages die op temperaturen nabij het absolute nulpunt opereren. Is dat hier ook aan de orde?

"Ja en nee. Ook hier kunnen we die klassieke technologie inzetten. We kunnen elektronica op een chip maken die op lage temperaturen werkt. Een visie is het quantum integrated circuit, een chip die zowel de qubits als de elektronica bevat. Als dat kan, heb je geen grote stellages met veel bedrading meer nodig, omdat alles in een chip is verwerkt. In eerder onderzoek hebben we al aangetoond dat qubits in principe op dezelfde temperatuur kunnen werken als de elektronica. Nu daadwerkelijk alles op dezelfde chip zetten, zou een heel grote volgende doorbraak zijn."

Andere onderzoeksgroepen richten zich wel op quantumchips die op hogere temperaturen dan iets boven nul kelvin functioneren. Zijn die dan niet in het voordeel?

"Hoe ik mij een toekomstige quantumcomputer voorstel, is niet iets wat je in je broekzak meeneemt. Je kunt prima via internet met een datacenter verbonden zijn waar de berekening wordt gedaan en daar kan dan zo'n koelkast van ons staan. Dat we iets moeten afkoelen is niet zo relevant. De koeling die benodigd is voor een datacenter is al enorm. Het vermogen dat daarvoor nodig is, is veel groter dan wij nodig hebben om naar temperaturen dichtbij nul kelvin te gaan."

Afbeelding van elektronenmicroscoop met de vier qubits.
S1 en S2 geven laadsensoren aan.
De witte balk correspondeert met 100nm.

Je had het net over een gridstructuur van jullie quantumprocessor. Hoe moeten we ons dat en de aansturing van de qubits voorstellen?

"De qubit is een transistor met elektronen die van de ene naar de andere kant stromen. Wat we doen is die stroom heel klein maken zodat we nog maar een enkel elektron hebben. Om precies te zijn maken we in germanium gebruik van een gat, de afwezigheid van een elektron. Zo’n gat is onze qubit. De aansturing is ook net als bij een transistor; we gebruiken stromen en spanningen. Door spanningen aan te sturen kunnen we die gaten een beetje naar elkaar toe duwen of van elkaar af laten bewegen. Quantummechanisch wordt een gat beschreven met een golffunctie en die golffunctie kan overlappen met een andere golffunctie van een ander gat. Als gaten dichtbij elkaar komen, krijgen ze interactie, overlappen de golffuncties en worden de eigenschappen gemixt. Dat kunnen we nu met vier gaten doen die ieder als qubit fungeren. Door die gaten een beetje te laten overlappen, krijgen ze een soort gezamenlijke eigenschap. In de quantummechanica noemen we dat verstrengeling. We kunnen de quantumprocessor dus nu bijvoorbeeld zo bedienen dat we vier qubits met elkaar verstrengelen."

Wat zijn de uitdagingen voor verder opschalen naar grote hoeveelheden qubits?

"Hoe kun je met een paar lijnen heel veel qubits bedienen?""Als we naar acht qubits gaan, zou dat natuurlijk weer een grote stap zijn. Dat is echt weer een grote stap naar opschaling. Een grote fundamentele volgende stap betreft de aansturing. Op dit moment heeft elke quantumbit zijn eigen lijn naar buiten, zodat we zijn individuele spanning kunnen bedienen. Dit geldt eigenlijk voor elke quantumtechnologie. Maar dit is niet hoe het gaat bij klassieke technologie. Een chip heeft misschien wel een miljard transistors, maar van die chip lopen enkele honderden tot maximaal zo'n duizend lijnen naar buiten. Dus de vraag is: hoe kun je nu met een paar lijnen heel veel qubits bedienen?"

Is daar al een antwoord op?

"We proberen weer opnieuw te leren van de klassieke wereld. Zoals ik vertelde, maken ze voor de aansturing van DRAM gebruik van wordlines en bitlines om een grid aan te sturen. Het is de combinatie van een signaal op zowel een wordline als een bitline die zorgt voor een adressering. Op die manier kun je met een gegeven aantal lijnen al kwadratisch meer qubits bedienen. Dus zestien lijnen zouden al 64 punten in een grid kunnen bedienen. Dit soort aanpakken willen we ook gaan toepassen op de quantumtechnologie. Voor zover ik weet, is er geen enkele quantumtechnologie die minder lijnen nodig heeft dan het aantal qubits dat ze bedienen. Het lijkt me een enorme mijlpaal om dat te realiseren nu iets grotere structuren in zicht komen."

Kunnen jullie die stap maken?

"We hebben er heel goede gedachtes over en bouwen een sterk portfolio aan kennis op. Tegelijkertijd is dit nog echt een fundamentele vraag waarvan we het antwoord moeten onderzoeken, maar ik heb goede hoop."

Ik lees soms sceptische reacties over het werk aan quantumcomputers. We lezen nu al zo lang over de ontwikkeling. Als je kijkt waar we nu staan, kunnen we met zekerheid zeggen dat er quantumcomputers komen?

"Het oplossen van grote problemen met quantumcomputers ligt nog ver voor ons. Tegelijkertijd zie je dat daar ook veel werk voor wordt verricht. Met de dag komen de algoritmes dichterbij en hebben ze minder qubits nodig om relatief interessante problemen op te lossen. We zitten in het NISQ-tijdperk, noisy intermediate-scale quantum. De qubits zijn nog niet zo goed, ze zijn ruizig en er zijn er nog niet veel van. Maar ze kunnen misschien al iets wat we klassiek niet kunnen. Er is ook een verandering gaande wat betreft de ontwikkeling van algoritmes. Meer en meer is het bedrijfsleven actief betrokken bij de ontwikkeling. Ik denk dat de combinatie van bedrijfsleven en wetenschap heel sterk kan zijn in het formuleren van relevante problemen die potentieel opgelost kunnen worden door een quantumcomputer. We zien nu ook dat grote vooruitgang op dit gebied gemaakt wordt."

Maar dat is geen antwoord op de vraag of ze er gaan komen.

"Daarop zou mijn antwoord zijn: mocht er nog een fundamenteel probleem zijn waardoor die er niet gaan komen, dan zou dat eigenlijk nog veel interessanter zijn. Want als dat zo is, zou er ondanks meer dan honderd jaar quantummechanica toch iets niet kloppen. Opschalen gaat nog lastig worden en de vraag is natuurlijk of er genoeg aandacht en werk in gestoken gaat worden. Er kan van alles gebeuren en dat is onzeker. Maar als er een fundamenteel probleem zou zijn, zou dat ergens heel mooi zijn. Dan hebben we de natuur toch nog niet zo goed begrepen als we denken dat nu te doen."

Reacties (12)

[secret17]

Wat mij op viel in het artikel is dat ze toe willen naar een systeem waarbij zowel qubits als klassieke elektronica op één chip worden geïntegreerd en dat die hele chip dan afgekoeld zal worden tot richting 0 Kelvin. Nou snap ik dat je rond die temperaturen in bijzonder vaarwater komt, maar is het niet zo dat ook klassieke elektronica enorm kan profiteren van die lage temperatuur door supergeleiding en zeer beperkte warmteontwikkeling?

Verder komt deze methode, als leek zeg ik erbij, heel erg over als een enorm interessante richting voor een quantum-computer:

- Conventionele materialen voor implementatie.
- Hergebruik van bestaande productiemethodes.
- Integratie van klassieke en quantumtechnologie op 1 chip.
- Theoretische modellen om qubits in grids te adressen en samen te laten werken, zonder enorme chips te moeten produceren.

In ben voor.

[mathieu026]

Conventionele transistors werken niet perse beter op lage temperaturen. De weerstand gaat inderdaad omlaag maar er zijn ook minder vrije elektronen beschikbaar bij deze lage temperaturen. In deze studie: https://arxiv.org/abs/2005.13863, zien ze bijvoorbeeld een toename van de Threshold voltage als de transistors van 300 K worden afgekoeld naar 50 mK. Tegelijkertijd zien ze in deze studie dat de transistor sneller opent als de threshold is bereikt.

Een ander bijkomend probleem is dat er op dit bij deze hele lage temperaturen niet genoeg koelkracht is om honderden transistors koud te houden. Daarom is er op dit moment ook veel onderzoek gaande naar een conventionele transistor controller op een tussen temperatuur plaatsen (meestal 4 K) en vanaf daar een verbinding te maken naar de qubits op mK temperaturen. Hierdoor zijn er alsnog minder directe verbindingen tussen 300 K en de qubits nodig. Aan de andere kant van dit spectrum proberen onderzoekers qubits werkend te krijgen rond 4 K zodat er wel genoeg koelkracht is om alles op een chip te plaatsen.

Kortom het is een hele interessante richting, in de komende jaren zal moeten blijken of deze technologie echt schaalbaar is. Het maken van quantum dot/qubit arrays is een ding, maar doordat elke qubit zich in een net andere (elektrostatische) omgeving bevind moet elke qubit op dit moment met de hand getuned worden. Dit laatste is een tijdrovend proces en ook daar zullen nog grote stappen gemaakt moeten worden.

[Rob Coops]

Als ik dit zo lees en dan de vraag of er echt quantum computers gaan komen eigenlijk niet beantwoord zie worden dan denk ik wel dat ik weet waarom.

We kunnen op dit moment nog niet echt een fatsoenlijke qubit bouwen, ja het kan wel maar er moet met de hand allerlei dingen getuned worden en dat is misschien voor een paar honderd qubits nog wel te doen maar voor een paar duizend is dat al gekken werk en als je er een paar honderdduizend hebt laat staan miljoenen dan is het gewoon onmogelijk.

Koppel daar koeling aan en het feit dat het toch wel handig zou zijn als die dingen met bestaande oplossingen gekoppeld zouden kunnen worden en dan niet meters van speciale draden en andere spectaculair uitziende onzin nodig hebben om het koel systeem niet in de weg te zitten en zo...
Dan is er het probleem dat conventionele chips niet zo houden van absoluut 0 waar qubits op dit moment alleen bruikbaar zijn als het lekker fris is. Dan is er nog het probleem dat koelen tot 0 nog redelijk te doen is maar koel houden zeker het koel houden van een hele kleine maar vrij intense hitte bron zo als een conventionele chip is toch echt een ander verhaal.
Dan is er nog de storingsgevoeligheid van de qubits zelf, als iemand een scheet laat op een afstand van enkele meters dan kan dat al genoeg zijn om die een fout te introduceren in de berekening. Er is op dit moment bijna even veel logica nodig om de fouten te bestrijden als er logica nodig is om de berekeningen te doen ook dat is geen goed nieuws als je echt wilt opschalen. De kosten maar ook de complexiteit en daar door dus ook weer de fout gevoeligheid van de oplossing als geheel nemen alleen maar toe als je meer en meer qubits wilt gebruiken.

Al met al gok op minimaal 50 maar waarschijnlijk 100 tot 150 jaar voor we echt nuttige quantum computers gaan zien. En het is maar de vraag of bedrijven zo als Google en IBM zo lang de enorme bedragen die ze nu uitgeven aan dit soort onderzoek willen blijven stuk gooien op wat na een periode van 10 a 20 jaar voor hen steeds meer op een eeuwige belofte zal gaan lijken.
Het zo me niets verbazen als rage binnen kort een beetje overwaait en de hoeveelheid geld die nu richting onderzoek vloeit voor een goed deel opdroogt.

[mathieu026]

Het niet simpel beantwoorden van de vraag of er quantum computers gaan komen is denk ik ook een gevolg van de media en de hype die er ontstaat rond zo'n uitspraak. deze hype kan je dan jaren gaan achtervolgen en dat is iets wat je als wetenschapper helemaal niet wilt.

De eindeloze pogingen om te voorspellen hoe lang het nog duurt zijn soms ook vermoeiend voor een wetenschapper. We weten gewoon niet wat er om de volgende hoek schuilt, een probleem of een geniale oplossing. Als je nu kijkt naar de ontwikkeling van de vacuumbuizen en later de eerste transistors tot een echt nuttige computer, dan zal je ook zien dat daar ook een flinke tijd overheen gegaan is. De quantum technologie doorgaat nu een dezelfde soort fase, waarin is aangetoond dat het in principe kan werken, maar het nuttig maken van deze technologie is op het moment niet triviaal en vergt tijd.

Persoonlijk denk ik dat het succes van een quantum computer zal afhangen van hoe snel er een prototype is met honderd plus qubits die ook echt iets nuttigs kan berekenen. Het Google prototype is leuk, maar zolang je niks nuttigs kan berekenen zullen de investeringen langzaam opdrogen net als dat er met kernfusie gebeurt of al gebeurt is. Op het moment dat er een werkend en nuttig apparaat bestaat zal men blijven door ontwikkelen, door de immense honger naar het steeds maar oplossen van complexere problemen. Ook hier kan je dan een parallel trekken met de conventionele computer, waar de werkende prototypes eerst alleen nuttig waren voor de wetenschap en een enkele universiteit er een had, en het langzaam uit de hand liep tot wat het nu is.

Met dit beeld kan ik me heel goed voorstellen dat de komende pakweg 10 jaar cruciaal gaan zijn om te laten zien dat qubits gebruikt kunnen worden voor nuttige dingen om te voorkomen dat de geldstroom langzaam opdroogt.

[CMG]

Leuk artikel, maar vermoed (en hoop ook een beetje) dat het opschalen nog wel heel lang kan duren. Als we echt zo ver zijn, gaat er zo veel omvallen... wordt een behoorlijke uitdaging, maar gelukkig wordt er ook al een behoorlijke poos gewerkt om dat probleem op te lossen, maar voordat alles over is naar quantum-safe oplossingen, zijn we nog veel verder...

[Aerophobia1]

Als iedere 2 jaar er een verdubbeling is van het aantal Qbits, dan gaat het nog best snel.
Helemaal als het proces steeds beter wordt.

[slowdive]

Je hebt zojuist de wet van Moore geponeerd voor qubits: de wet van Aerophobia1!
Als deze exponentiële groei echt realiseerbaar is, kunnen/mogen we die _niet_ onderschatten. Door die groei hebben we nu zoveel computers (en Corona...).

Edit: _niet_ toegevoegd

[Reactie gewijzigd door slowdive op 23 juli 2024 00:13]

[BlaDeKke]

Maar dat is het waarschijnlijk niet. Per extra qubit gaan de mogelijkheden en rekenkracht wel exponentieel naar omhoog.

[slowdive]

Als je kijkt naar de ontwikkeling van quantumprocessoren zie je dat het bedrijven gelukt is om binnen een jaar meer dan te verdubbelen. Het is natuurlijk maar de vraag of ze dat op langere termijn vol kunnen houden.
Als je kijkt naar het aantal qubits in een computer (met meerdere processoren) , zie je een wisselend beeld. Maar als je de cijfers van 1 bedrijf bij elkaar zet zijn er zeker voorbeelden waar een verdubbeling in twee a drie jaar gerealiseerd is over een periode van enkele jaren. D-wave is dat gelukt en als ze dit jaar hun (voorspeld) aantal van 5000 qubits halen, lukt ze dat al 6 jaar achter elkaar.
Kortom: Aerophobia1's voorspelling is nog moeilijk te duiden op grond van de afgelopen tien jaar, maar dat was ook zo toen Moore zijn voorspelling deed. In 1947 was het mogelijk om in het laboratorium een transistor te maken, in 1953 werd de eerste transistorradio geproduceerd en in 1965 deed Moore zijn voorspelling.

[Olaf]

Bij het voorbeeld van D-Wave moet wel genuanceerd worden dat het om quantum annealing gaat en niet om een volledige op gates gebaseerde quantumcomputer. De eisen die gesteld worden aan de qubits wat betreft stabiliteit, ruis en bediening liggen bij quantum annealing veel lager. Die systemen zijn dan ook geschikt voor een specifieke subset van rekenproblemen. D-Wave kan dus relatief makkelijk opschalen maar hun systeem is van een ander type dan waar QuTech op mikt met hun qubits.

[slowdive]

Dat klopt. Zoals in het artikel dat je vermeldt ook te lezen is, is quantum annealing juist geschikt om de NP-hard problemen mee op te lossen, denk daarbij aan het Traveling Salesman Probleem.
Dat de systeemeisen voor zo een quantumcomputer lager liggen is alleen maar meegenomen, lijkt me.
Wellicht is dat een reden waarom ze hun systeem exponentieel hebben kunnen laten groeien de laatste jaren.

[rvtol]

Ik zou voorlopig hoog inzetten op een optische simulatie van een quantum-computer. Vele parallelle signaalpaden passen in een enkele glasvezel. Door een signaal op te splitsen maak je duplicaten, door een signaal te vertragen (kan met een lus) zet je een nieuwe bit naast een oude bit, etc.

In India zijn ze hier al erg leuk mee bezig. Is veel haalbaarder, veel minder error-gevoelig, en geeft al gauw tot 100x snellere processing. Daar kunnen we dan alvast mee vooruit.