De kracht van de toekomstige quantumcomputer zit in qubits, ofwel quantumbits, die niet alleen 0 en1 kunnen zijn, maar ook 0 en 1 tegelijkertijd. Op welke technologie die qubits in quantumcomputers gebaseerd zullen zijn, is nog onzeker, maar qubits op basis van elektronspins worden steeds kansrijker. Waar die vroeger alleen gemaakt konden worden in het dure halfgeleidermateriaal galliumarsenide, blijkt dat nu ook  en zelfs veel beter te kunnen in het  meer gangbare materiaal silicium, het basismateriaal van de huidige computerchips. Onderzoekers van de TU Delft, de University of Wisconsin en het Ames Laboratory onder leiding van prof. Lieven Vandersypen van het Delftse QuTech vonden dat de  stabiliteit van qubits in silicium zelfs 100 keer beter is dan in galliumarsenide. Ze publiceren er deze week over in het wetenschappelijk tijdschrift PNAS.

Fragiel

Doordat qubits zowel  1 als 0 tegelijk kunnen zijn, kan een quantumcomputer bepaalde rekenproblemen aan die voor huidige supercomputers onbereikbaar zijn. Het grote probleem voor wetenschappers is dat deze ‘superpositie’ heel fragiel is. “Voor qubits zijn twee getallen heel belangrijk”, stelt onderzoeksleider Lieven Vandersypen. “Cruciaal voor een zinvol werkende quantumcomputer is hoe lang we de superpositie kunnen bewaren, voor deze spontaan tot 1 of 0 vervalt. In galliumarsenide is dat tot nu toe zo’n 10 nanoseconden, maar in silicium lukt het ons nu een factor 100 langer. Met slimme technieken kan dit nog opgerekt worden tot 0,4 milliseconden. Hoewel een ‘coherentietijd’ van 0,4 milleseconden misschien niet erg lang klinkt, is dat voor een computer al bijna een eeuwigheid. Daarnaast is ook de ‘gate fidelity’ in silicium ongeveer een factor 10 beter:  die maat bepaalt of, als je een bewerking uitvoert op een qubit, deze bewerking ook lukt.”

Silicium

De onderzoekers werkten met ‘standaard’ silicium, een zeer goedkoop en bijna onbeperkt beschikbaar materiaal; het is het hoofdingrediënt van zand. Uit onderzoek van de  Universiteit van New South Wales in Australië bleek eerder al dat het isotopisch gezuiverd silicium-28 nog betere resultaten kan geven. “Silicium bevat van nature drie isotopen, waaronder het gangbare Si-28, en de minder voorkomende variant met atoomgetal 29. Deze laatste blijkt een flinke stoorfactor op de coherentie en gate fidelity.De omschakeling van galliumarsenide naar silicium is volgens wetenschappers van groot belang voor het ontwerp van een quantumcomputer. De benodigde technologie voor  het aanleggen van extreem kleine structuren op silicium is in de chiptechnologie al zeer ver gevorderd, en bovendien blijkt silicium nu ook beter te werken, zoals gehoopt.

Opschaling

Wetenschappers in Delft werken op dit terrein intensief samen met onderzoekers van onder andere Intel,  dat een jaar geleden in een samenwerkingsverband met QuTech stapte. De grootste uitdaging voor quantumtechnologen is nu om de verschillende qubits op te schalen naar schakelingen van meerdere qubits die samenwerken. “Voor een zinvol bruikbare quantumcomputer moeten er minstens honderden, en liefst nog veel meer, samenwerken”, zegt Vandersypen.

Het onderzoek in PNAS werd mede mogelijk gemaakt door Stichting FOM.      

Voor meer informatie

Prof. Lieven Vandersypen, QuTech/TU Delft. 015 278 2469, L.M.K.Vandersypen@tudelft.nl
Abstract 'Gate fidelity and coherence of an electron spin in an Si/SiGe quantum dot with micromagnet' op PNAS website.