Beheerprobleem miljoenen qubits opgelost

Het opschalen van het aantal qubits op een chip stuitte tot nog toe op de infrastructuur die nodig is om de qubits op een betrouwbare manier te beheren. In plaats van microwave-magnetische velden aan te brengen met een stroompje door draadjes langs de qubits, zijn de qubits gezamenlijk te manipuleren via een nieuwe constructie direct boven de chip die het benodigde magnetisch veld creëert.

Thijs DoorenboschMeer van deze auteur

dielectric resonator for qubit management — © University of South Wales

University of South Wales

De heilige graal in kwantumcomputing is het fabriceren van een chip ter grootte van de huidige computerchips waarop zich miljoenen betrouwbare qubits bevinden. Het maken van enkele tientallen qubits op een chip lukt al wel, maar het opschalen is een probleem waar wetenschappers en technici zich al enkele tientallen jaren het hoofd over breken.

Te complex en te warm

Voor de goede werking van de qubit moet er een microwave-magnetisch veld in de buurt zijn. Dat wordt tot nu toe aangelegd met draadjes langs de qubit waar een elektrisch stroompje door loopt. Dat gaat goed met relatief weinig qubits, maar naarmate er meer qubits op de chip worden geplaatst neemt de bedrading een steeds groter deel van de beschikbare ruimte in beslag.

Bovendien genereren die draadjes warmte als er elektronen door gaan. Voor de stabiliteit van de qubits is het echter noodzakelijk dat wordt gewerkt dicht bij het absolute nulpunt van 0 Kelvin ofwel -273 graden Celsius. Hoe meer warmte die draadjes afgeven, hoe moeilijker het wordt de koeling op orde te houden.

Magnetisch veld van boven

Jarryd Pla en zijn team van onderzoekers aan de University of New South Wales (UNSW) hebben een nieuwe aanpak gekozen waarbij het magnetisch veld van bovenaf wordt aangebracht. Het idee stamt al uit de jaren 90, maar is vanwege praktische problemen niet eerder verder uitgewerkt. Pla en zijn team hebben een kristallen prisma - ofwel een dielectric resonator - aangebracht bovenop de chip. Wanneer er microgolven op de resonator worden gestraald, worden deze gericht op een veel kleiner oppervlak en de golflengte gaat naar submillimeter-formaat. "Daarmee wordt de spin van alle qubits onder controle gebracht", zegt Pla.

Het voordeel is dat er in verhouding maar erg weinig stroom voor nodig is en daardoor ook weinig warmteontwikkeling ontstaat. Een tweede innovatie is volgens Pla dat er een heel uniform magnetisch veld over de qubits ontstaat waardoor miljoenen qubits onder exact gelijke omstandigheden worden beheerd. Pla en zijn team hebben de resultaten gepubliceerd in Science Advances.