Techniek & Innovatie Forze
© Achtergrond: Vac1 Silicium: Sam Rentmeester
Niets is zo high tech als een quantumcomputer. Maar met wat geluk vergt de bouw ervan geen exotisch materiaal, maar ‘dood-gewoon’ silicium. Dat suggereert Delfts onderzoek.
Tekst Tomas van Dijk
Pirouetjes draaien, links- en rechtsom tegelijk. De ongerijmde, bijna magische limbo’s die elektronen in quantumbits maken met hun magnetische momenten (‘spins’) beloven veel moois. Door quantummechanische capriolen uit te buiten zou je met quantumbits – ook bekend als qubits – krachtige computers moeten kunnen maken die ingewikkelde rekenproblemen oplossen die zelfs voor de beste supercomputers te omvangrijk zijn. Maar vooralsnog bakken qubits er weinig van. Ze zijn instabiel – uiterst gevoelig voor ruis van buitenaf – en veranderen snel van toestand. Daardoor worden er continu fouten geïntroduceerd. Fouten sneller herstellen dan dat ze opduiken. Dat is de heilige graal in het onderzoek naar quantumrekenen. Dat dit mogelijk is (theoretisch dan), toonden hoogleraar quantum-nanowetenschappen Lieven Vandersypen en zijn collega’s van QuTech (het samenwerkingsverband tussen de TU Delft en TNO op het gebied van quantumtechnologie) begin dit jaar in Nature. Het team slaagde erin om twee qubits in silicium met ongekend hoge nauwkeurigheid informatie met elkaar te laten uitwisselen. Vandersypen ontving vorig jaar een van de vier Spinozapremies van NWO. De wetenschapsfinancier schreef toen dat ze ervan overtuigd is dat Vandersypen de ‘grote wetenschappelijke en technologische doorbraken kan realiseren die nodig zijn om de beloften van de quantumcomputer waar te maken’. Dat bleken geen loze woorden.
@Frank Auperlé
‘EEN OP SILICIUM GEBASEERDE QUANTUMTECHNOLOGIE KAN VOORTBORDUREN OP DE KENNIS EN ERVARING DIE AL BESTAAT IN DE CHIPINDUSTRIE’
Onderzoekers Lieven Vandersypen, Xiao Xue en Mateusz Madzik (vlnr).
Vrijwel foutloos
Met hun studie haalden Vandersypen en zijn collega’s de cover van Nature. Op het voorblad van het tijdschrift prijken twee felrode stippen omgeven door vier bloembladvormige turquoise oplichtende uitstulpingen. Het is een artist’s impression van verstrengelde qubits. Ze vormen samen een 2-qubit-schakeling. Deze 2-qubit-schakeling rekent vrijwel foutloos. Ze haalt een betrouwbaarheid van ruim 99 procent. Dat betekent dat er bij honderd bewerkingen gemiddeld minder dan één fout optreedt. Twee andere teams, één uit Australië (UNSW Sydney) en één uit Japan (Institute of Physical and Chemical Research/Riken) behaalden vergelijkbare resultaten en publiceerden hun bevindingen in hetzelfde nummer. “Een betrouwbaarheid van 99 procent is een mijlpaal”, zegt de eerste auteur van de Delftse studie, Xiao Xue.
“Het wordt algemeen beschouwd als een drempelwaarde. Vanaf dat percentage kan de foutencorrectie het winnen van de foutencreatie.” In een begeleidende analyse in Nature stellen experts, die niet bij het onderzoek betrokken waren, dat het nog een hele kluif zal zijn om die betrouwbaarheid te handhaven naarmate meer qubits aan elkaar worden gekoppeld. Toch is ook Nature onder de indruk. Met de drie studies is volgens het tijdschrift een grote horde genomen, getuige het onderschrift dat Nature bij de artist’s impression plaatste: Silicon qubits cross key error correction threshold for quantum computing (silicium qubits overschrijden belangrijke foutcorrectiedrempel voor quantum computing). Vergelijkbare nauwkeurigheden werden enkele jaren eerder al bereikt door andere onderzoeksgroepen, maar die werkten niet met silicium, het materiaal waar de huidige chipindustrie op is geënt.
Een op silicium gebaseerde quantumtechnologie kan voortborduren op de kennis en ervaring die al bestaat in de chipindustrie. De doorbraak is dan ook goed nieuws voor chipfabrikant Intel, waarmee de Delftenaren geregeld samenwerken, die met silicium qubits concurrenten de loef hoopt af te steken.
De cover van Nature met een artist’s impression
van verstrengelde qubits.
Miljardeninvesteringen
Google, IBM en Microsoft investeren ook miljarden om als eerste een goed werkende quantumcomputer te ontwikkelen. Google en IBM hebben hun hoop gevestigd op qubits in de vorm van elektrische stroompjes door supergeleidende circuitjes. Ze hebben al tientallen qubits aan elkaar weten te rijgen. Maar de ringetjes zijn relatief groot en moeten gekoeld worden tot vlak boven het absolute nulpunt, 273 graden onder nul. Die combinatie – grootte en extreme koeling – maakt verdere opschaling lastig.
Microsoft, dat ook met QuTech samenwerkt, hoopt onder meer met de illustere Majoranadeeltjes tot een quantumcomputer te komen. Maar die deeltjes laten zich erg moeilijk vangen. In 2018 meenden Delftse onderzoekers Majoranadeeltjes te hebben waargenomen in hun lab. Maar dat bleek achteraf onjuist. Een Nature-artikel moest worden ingetrokken. Dat de drie onderzoeksgroepen gelijktijdig met ongeveer dezelfde bevindingen kwamen, was niet gepland. Maar het kwam ook niet echt als een verrassing. “Veel van de betrokken onderzoekers uit de verschillende landen kennen elkaar goed”, zegt Xue.
In het silicium-qubitwereldje werkt men nauw samen. Zo werd het silicium- en silicium-germaniummateriaal, dat door de Delftse en Japanse groepen werd gebruikt, in Delft vervaardigd en tussen de twee groepen uitgewisseld. Het isotopisch gezuiverde siliciummateriaal waar de Australiërs mee experimenteerden, kwam uit Japan. Belangrijke software die de doorbraak mogelijk maakte werd geschreven door Sandia National Laboratories in de Verenigde Staten, die het voor iedereen ter beschikking stelden.
Ook personen gingen heen en weer. Mateusz Mądzik, de eerste auteur van de Australische studie, werkt nu als postdoc in het lab van Vandersypen. Een andere auteur van het Australische artikel, Serwan Asaad, heeft aan de TU Delft gestudeerd. En Lieven Vandersypen spendeerde in 2016, tijdens een sabbatical, vijf maanden in het lab in Sydney. De publicaties in Nature illustreren volgens Xue mooi hoe vruchtbaar het vrije verkeer van ideeën, mensen en materialen kan zijn.
Spinozapremie
“De quantumcomputer is misschien niet haalbaar”, zei Lieven Vandersypen in 2007 tegen het Delftse universitaire nieuwsplatform Delta toen hij was benoemd tot Antoni van Leeuwenhoekleraar. Vandersypen had er een hard hoofd in. Zijn elektronen op chips van de halfgeleider galliumarsenide wilden zich niet laten temmen. Inmiddels liggen de kaarten anders. Vandersypen stapte over op silicium chips. Een trits publicaties in bladen als Nature en Science volgde over de wonderbaarlijke gedragingen van elektronen op deze chips. Op galliumarsenide hielden de elektronen zich maar 10 nanoseconden in het gareel. Zie daar maar berekeningen mee uit voeren. Maar nu, op silicium, zijn ze tienduizend maal zo lang aan te sturen.
‘HET IS NOG ONDUIDELIJK WAT HET DE SAMENLEVING OPLEVERT’
“Ons onderzoek is in een stroomversnelling gekomen”, aldus de hoogleraar. Dat laatste viel de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) ook op. De onderzoeksfinancier reikte in 2021 een van de vier Spinozapremies – ook wel ‘Nederlandse Nobelprijzen’ genoemd – uit aan de Delftenaar. Hij kreeg 2,5 miljoen euro, naar eigen inzicht te besteden aan wetenschap.
“De erkenning doet me veel plezier”, vertelde Vandersypen. “Het is een vrijbrief. Ik hoef nu niet meer voor elk nieuw idee fondsen aan te schrijven en maanden te wachten op de beslissing, maar kan naar believen mensen aannemen en apparatuur kopen. Ik voel geen druk. Ik doe al 25 jaar onderzoek naar quantumrekenen en ik ben daarmee gekomen waar ik nu ben.” Al tijdens zijn promotieonderzoek realiseerde Vandersypen zijn eerste wereldwijde primeur: hij gebruikte de spins van atoomkernen in moleculen als qubits, en wist met zeven van deze qubits het getal 15 te ontbinden in de factoren 3 en 5. Hiermee bewees hij dat het rekenen met qubits niet alleen theoretisch, maar ook in de praktijk mogelijk is.
De spins moeten allemaal een dans uitvoeren, aldus de hoogleraar. “Ik ben de choreograaf die de cadans bepaalt.” Dat is een mooie analogie voor een technologie die voor veel mensen onbegrijpelijk is. Een technologie waarvan de belofte – de quantumcomputer – bovendien omgeven is door veel onzekerheid. “Of ik daar zelf ook mee worstel? Ik vind het soms lastig. Mijn vrouw is huisarts. Ze helpt elke dag mensen en krijgt direct feedback. Ik krijg natuurlijk ook wel feedback van studenten, maar qua onderzoek…. Het is nog onduidelijk wat het de maatschappij oplevert. Het is op de lange termijn gericht.”
@Frank Auperlé
‘VANAF HIER KAN DE FOUTENCORRECTIE HET WINNEN VAN DE FOUTENCREATIE’
Mateusz Madzik, Lieven Vandersypen en Xiao Xue (vlnr) in hun lab.
Wat zijn qubits?
De qubits waar ze in Delft mee werken, bestaan uit afzonderlijke elektronen die met behulp van elektrische spanningen op elektrodes opgesloten zitten in het silicium. Met magnetische en elektrische velden kunnen de onderzoekers de spin (de draairichting) van de deeltjes aansturen. Net als met transistors op chips in de huidige computer moet het mogelijk zijn qubits aan elkaar te koppelen op een chip. Het grote voordeel is dat de elektronen niet zoals een normale bit twee toestanden kent: nul of één, maar dat hij ook nul en één tegelijk kan zijn. Superpositie heet dit. Het is van de ongerijmde fenomenen uit de quantummechanica: het deeltje kan linksom en rechtsom tegelijk draaien. Drie qubits kunnen daardoor twee tot de derde (acht) getallen tegelijk bevatten. En tien qubits twee tot de tiende, oftewel 1024. In al die verschillende combinaties kan de computer tegelijkertijd berekeningen uitvoeren. De hoop is dat quantumcomputers daardoor ingewikkelde rekenproblemen kunnen oplossen die zelfs voor de beste supercomputers te omvangrijk zijn.