Silicium-spin-qubits, geproduceerd op industriële schaal, halen recordnauwkeurigheid

Afbeelding IMEC.

De resultaten, gepubliceerd in Nature, bevestigen het potentieel van imecs productieprocessen voor de ontwikkeling van siliciumgebaseerde kwantumcomputers. Ze openen de deur naar qubits die gemaakt worden met dezelfde technieken die vandaag gebruikt worden om computerchips te maken.

Kwantumcomputers verschillen van klassieke computers doordat ze werken met qubits in plaats van bits. Waar iedere bit uit ofwel ‘1’ ofwel ‘0’ bestaat, kan een qubit een combinatie zijn van ‘0’ en ‘1’ tegelijkertijd (superpositie). Daardoor zou een kwantumcomputer, met veel aan elkaar gekoppelde qubits, bepaalde berekeningen veel sneller kunnen uitvoeren. Maar qubits zijn inherent instabiel en uiterst gevoelig voor ruis van buitenaf. Zodra ze hun toestand van superpositie verliezen, voeren ze de berekeningen niet meer correct uit.

De uitdaging bestaat er dus in om qubits lang genoeg te isoleren van externe invloeden, waardoor ze berekeningen uitvoeren die nauwkeurig genoeg zijn. In academische labo’s lukte dat af en toe, weliswaar met op maat gemaakte prototypes. Maar blijven die gunstige eigenschappen ook behouden als je de overstap maakt naar een industriële fabricagetechnologie? Die vraag bleef lang onbeantwoord – tot vandaag.

Voor het eerst presteert een spin-qubit-apparaat dat met industriële productiemethoden is gemaakt even goed als de allerbeste prototypes uit het labo. Onderzoekers van imec en Diraq rapporteren een systematische nauwkeurigheid van meer dan 99 procent bij een reeks operaties met één en twee qubits. Ook het voorbereiden en uitlezen van de qubits gebeurde bijna foutloos (met een betrouwbaarheid van meer dan 99.9 procent). Die observatie maakt van silicium-spin-qubits een beloftevolle kandidaat om uit te groeien tot de bouwsteen van de toekomstige kwantumcomputer. Silicium qubits hebben het voordeel dat ze gebruik kunnen maken van de technologieën waarin de halfgeleiderindustrie al een halve eeuw heeft geïnvesteerd om steeds geavanceerdere chips te ontwikkelen. De qubits uit deze studie worden gemaakt op basis van ‘kwatumdots’: door een elektron op te sluiten in een nanostructuur van het silicum kan je de spin-toestand van dat elektron gebruiken om kwantuminformatie op te slaan. Dankzij hun nanoschaal kunnen er in principe miljoenen kwantumdots op één chip worden geïntegreerd. Miljoenen qubits zijn nodig om een kwantumcomputer te bouwen die nuttige toepassingen mogelijk maakt, zoals het ontwikkelen van nieuwe medicijnen of het simuleren van natuurkundige processen. Op dat punt zijn we nog lang niet, maar deze aanpak – die gebruik maakt van bestaande chipproductieprocessen – toont wel een veelbelovende weg daarnaartoe.

Andrew Dzurak, oprichter en CEO van Diraq: “Om op dat punt te geraken, heb je een commercieel haalbare manier nodig om veel qubits met hoge betrouwbaarheid op grote schaal te produceren. Onze samenwerking met imec maakt duidelijk dat siliciumgebaseerde kwantumcomputers kunnen worden gebouwd door gebruik te maken van de volwassen technieken van de halfgeleiderindustrie, en opent de deur naar chips met miljoenen qubits.”

Kristiaan De Greve, directeur kwantumcomputing bij imec bevestigt:“Voor het eerst evenaren silicium spin qubitapparaten die zijn gemaakt met industriële productietechnieken de prestaties van de beste prototypes uit het labo, Dit was enkel mogelijk dankzij imecs geoptimaliseerde processflow voor silicium kwantumdot-structuren, het gevolg van jarenlange ontwikkeling. Bovendien zien we nog ruimte voor verbetering: aangezien de fouten vooral voortkomen uit variaties in het siliciummateriaal, en niet door storingen uit de industriële omgeving, kunnen we de betrouwbaarheid verder opdrijven door de siliciumlaag aan te passen.”