De weg vrij voor spin-qubits in nieuwe quantum chiparchitectuur

“Met zo’n complexe, nauwe volgepakte quantumchip begint het echt te lijken op de traditionele halfgeleiderindustrie”, stelt onderzoeker Giordano Scappucci.  Over het platform is in Nature Electronics gepubliceerd.

Onder een microscoop gezien lijkt de structuur van de QARPET-chip bijna geweven. De fabricage was in feite een stresstest voor de technische mogelijkheden. “Toen ik de eerste ontwerpen maakte, had ik eerlijk gezegd niet verwacht dat ze zouden werken”, zegt Alberto Tosato, die verantwoordelijk was voor de engineering. “Het aantal kruisende elektroden is extreem hoog. Het verlegt de grenzen van nanofabricage, we zagen het als een test die waarschijnlijk zou mislukken. Het was dan ook een zeer bevredigend moment om te zien dat het apparaat bij temperaturen van millikelvin tot leven kwam.”

Het apparaat is ontworpen om een belangrijke uitdaging voor kwantumtechnologieën aan te pakken: hoe kunnen grote aantallen qubits efficiënt worden geëvalueerd, vooral nu er apparaten met miljoenen kwantumbits worden ontwikkeld? “Het bouwen van een grootschalige kwantumprocessor is niet alleen een kwestie van meer qubits toevoegen”, zegt Giordano Scappucci, universitair hoofddocent aan de TU Delft en hoofdonderzoeker. “Om vooruitgang te boeken, moeten we begrijpen hoe qubits statistisch presteren, hoe uniform ze zijn, hoe veel ruis ze produceren en hoe deze eigenschappen variëren binnen een chip. Dit maakt QARPET echt uniek.”

QARPET is ontworpen om het evaluatieproces te vereenvoudigen. In plaats van elke qubit afzonderlijk te fabriceren en te testen, creëerden de onderzoekers een raster van kleine, herhaalbare ’tegels’. Elke tegel bevat twee spin-qubits en één laadsensor, waarmee een op zichzelf staande eenheid ontstaat die individueel kan worden gemeten.

Deze tegels zijn verbonden in een crossbar-layout, waarbij rijen en kolommen gedeelde controlelijnen hebben, vergelijkbaar met de architectuur die wordt gebruikt in computergeheugen. Dit ontwerp betekent dat een enkele tegel kan worden geselecteerd en gemeten zonder dat complexe bedrading of cryogene elektronica nodig is. Als resultaat neemt het totale aantal controlelijnen langzaam toe naarmate het array groter wordt, een belangrijke vereiste voor schaalbaarheid.

De eerste demonstratiechip, gemaakt van een germanium/silicium-germanium (Ge/SiGe) halfgeleidersysteem, bevat 23 bij 23 tegels – genoeg om potentieel tot 1.058 hole-spin qubits te herbergen. Toch vereist de hele array slechts 53 controlelijnen, wat de efficiëntie van het crossbar-benadering aantoont. “Dit apparaat bereikt een potentiële dichtheid van ongeveer twee miljoen qubits per vierkante millimeter, wat benadrukt hoe compact halfgeleider spin qubits kunnen zijn,” zegt Scappucci. “Met de juiste meetinfrastructuur en automatisering zou de chip die we hebben gebouwd ons al in staat kunnen stellen om meer dan duizend qubits in één koeling te onderzoeken.”

Van Grootschalige Metingen naar Strategische Inzichten
Door gebruik te maken van hoge-frequentie elektrische uitleestechnieken, concentreerde het team zich op de metingen van een subset van 40 tegels op de chip, waarbij werd aangetoond dat bijna alle tegels onafhankelijk aangesproken en afgesteld konden worden. Uit deze metingen werden belangrijke apparaatparameters zoals drempelspanningen, ruisniveaus van lading en variaties in quantum-dotvorming gehaald. De resultaten toonden een hoge mate van consistentie over de array, maar benadrukten ook kleine variaties die reflecteren wat betreft verschillen in het onderliggende materiaal en de fabricageprocessen. Bovendien demonstreerde het team, als proof of principle, dat het apparaat spin qubits kan ondersteunen, waarbij hun eigenschappen niet werden beïnvloed door de architectuur.

Dit soort statistische inzichten is van groot belang voor het verbeteren van de reproduceerbaarheid en betrouwbaarheid van toekomstige quantumapparaten. QARPET biedt daarom effectief een testplatform voor het evalueren van nieuwe halfgeleidermaterialen en apparaatontwerpen onder realistische omstandigheden.

Op Weg naar Schaalbare Quantumtechnologieën
Omdat het QARPET-platform modulair is en compatibel met bestaande halfgeleiderfabricagetechnieken, kan het worden aangepast voor andere materialsystemen, waaronder op silicium gebaseerde qubits. Het ontwerp leent zich ook voor geautomatiseerde of machine learning-geassisteerde afstemming, wat de optimalisatie van apparaten verder zou kunnen versnellen.

“Ons platform brengt een realistische apparaatachitectuur samen met de mogelijkheid om zinvolle statistieken te extraheren van honderden qubits in één experiment,” concludeert Scappucci. “Gezien de complexiteit en dichtheid van deze chip, is het demonstreren dat het daadwerkelijk werkt een belangrijke mijlpaal. Het toont aan dat we al in staat zijn om de grote qubit-arrays te bouwen en te bestuderen waarop toekomstige quantumprocessors zullen vertrouwen.”