Delftse onderzoekers hebben een nieuwe stap gezet richting een functionele quantumcomputer. Ze maakten transistoren op basis van germanium en toonden aan dat quantumberekeningen hiermee sneller kunnen worden uitgevoerd dan met de gebruikelijke siliciumtransistoren.
Quantumcomputers rekenen op een radicaal andere manier dan gewone computers. Ze gebruiken geen bits, die 1 óf 0 zijn, maar quantumbits (qubits) die tegelijkertijd een beetje 1 en een beetje 0 kunnen zijn.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
De laatste jaren zijn verschillende systemen onderzocht die dienst kunnen doen als qubits. ‘Voor een quantumcomputer heb je veel quantumbits nodig, duizenden tot miljoenen’, vertelt hoofdonderzoeker Menno Veldhorst van onderzoeksinstituut QuTech in Delft. ‘We hebben dus iets nodig dat goed op te schalen is, zodat we er veel van kunnen maken.’
Transistoren zijn elektronische schakels die nu al met miljarden tegelijk op chips zitten van alledaagse elektronica zoals computers en smartphones. Die kunnen we dus al goed opschalen. ‘Dat maakt ze geschikt voor een toekomstige quantumcomputer’, zegt Veldhorst.
Alles in één
Er wordt daarom al langer onderzoek gedaan naar transistoren als qubits. Maar tot nu toe was het niet mogelijk om enkel met transistoren quantumberekeningen te doen. Er waren extra onderdelen nodig, waaronder magneten om de qubits aan te sturen.
‘Door gebruik te maken van germanium als transistormateriaal hebben we geen extra onderdelen meer nodig’, zegt Veldhorst. Daardoor werken de qubits sneller en kunnen ze beter worden opgeschaald.
Germanium werd in 1947 al gebruikt voor de eerste transistor. Maar later bleek het technisch lastig om goede transistoren te maken van het materiaal. Tegenwoordig bevatten de meeste elektronische apparaten transistoren van silicium, omdat die gemakkelijker te produceren zijn.
Quantumberekeningen
Onderzoekers van QuTech en TNO hebben nu voor het eerst goed werkende transistoren gemaakt die uit laagjes van silicium en germanium bestaan. Die transistoren hebben de voordelige eigenschappen van beide materialen. Dat levert snelle, betrouwbare en stabiele transistor-qubits op die geen extra onderdelen nodig hebben.
De onderzoekers toonden aan dat hun germaniumtransistoren goed functioneren door er quantumberekeningen mee te doen die niet eerder gedaan zijn met qubits die enkel uit transistoren bestaan. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Nature.
‘We hebben één en twee qubitoperaties uitgevoerd’, zegt Veldhorst. Bij een enkele qubitoperatie verander je bijvoorbeeld een qubit van een 1 in een 0, of in een quantumtoestand die een combinatie is van 1 en 0. Bij twee qubitoperaties doe je dat met twee qubits die met elkaar kunnen wisselwerken. Daardoor is het bijvoorbeeld mogelijk om een bewerking uit te voeren waarbij een qubit alleen van toestand verandert als de andere qubit in een bepaalde toestand is.
‘Met één en twee qubitoperaties is het mogelijk alle soorten quantumberekeningen uit te voeren. De stap nu is om er heel veel te maken, zodat we de daadwerkelijke kracht van een quantumcomputer kunnen ondervinden’, zegt Veldhorst.
Veelbelovende transistoren
Hoogleraar Guido Burkard van de Duitse Universität Konstanz vindt het Nederlandse onderzoek een belangrijke doorbraak voor quantumcomputing. ‘Ik denk dat germanium-quantumtechnologie veelbelovend is en pas aan het begin staat. Dus misschien zien we binnenkort nog meer spannende ontwikkelingen op dit gebied’, zegt hij. ‘Op dit moment zijn silicium-qubits wel stabieler. Maar de auteurs van het nieuwe artikel hebben enkele ideeën om dat ook voor germanium te verbeteren – we zullen zien hoe dit in de toekomst zal werken.’
