De lange weg naar grootschalige kwantumcomputers

De lange weg naar grootschalige kwantumcomputers Door: FHI federatie van technologiebranches

QuTech, het geavanceerde onderzoekscentrum naar kwantumcomputers, is dit jaar de gastheer voor het RF Technology event 2022. Een van de sprekers is Fabio Sebastiano, aan de TU Delft verbonden als assistent professor. Hij zal een lezing geven over het toepassen van cmos microwave drivers op cryogene temperaturen. FHI sprak met de wetenschapper.

Door: Dimitri Reijerman

Bij QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft, TNO en industriële partners, wordt veel fundamenteel onderzoek gedaan naar kwantumcomputers en -internet. Sebastiano vertelt over zijn bijdrage: "Mijn onderzoek richt zich op cryogene elektronica om grootschalige kwantumcomputers mogelijk te maken. De fundamentele onderdelen van kwantumcomputers zijn kwantumbits of qubits. Om een kwantumcomputer goed te laten werken, moeten qubits worden gekoeld bij cryogene temperaturen. Qubits alleen zijn echter onvoldoende om een ​​kwantumcomputer te kunnen bouwen: ze moeten worden aangesloten op een elektrische interface om elektrische signalen te geven voor het uitvoeren van bewerkingen en om de resultaten van de berekeningen te meten. In de ultramoderne kwantumcomputers van tegenwoordig wordt een dergelijke elektrische interface op kamertemperatuur gebruikt en met lange kabels verbonden met de qubits in een cryogene kamer."

Maar daar komt direct de complexiteit bij kijken, zegt Sebastiano: "Deze benadering is haalbaar voor de paar qubits die vandaag beschikbaar zijn - minder dan 100 - maar het zal onhaalbaar zijn voor duizenden of miljoenen qubits, vanwege de onbetrouwbaarheid en het volume van zoveel kabels. En we zullen miljoenen qubits nodig hebben om kwantumcomputers te bouwen die praktische problemen kunnen oplossen. Om deze uitdaging aan te gaan, wil ik de cryogene elektronische interface zo dicht mogelijk bij de qubits brengen door cryogene elektronica toe te passen."

De rol van cmos microwave drivers

Cmos microwave drivers spelen dus een belangrijke rol bij het aansturen van qubits. Sebastiano legt uit hoe dat werkt: "Een van de fundamentele vereisten in kwantumcomputers is om elektrische microgolfsignalen te kunnen genereren die naar de qubits worden gestuurd. Door die signalen, zowel in amplitude als de duur, goed te vormen, kan een specifieke opeatie op de qubits worden afgedwongen. De cmos microwave drivers zijn elektronische circuits die dergelijke signalen genereren om kwantumbewerkingen op de qubits uit te voeren. Onze microgolfdrivers kunnen met name signalen genereren in het frequentiebereik van 2GHz tot 20GHz. Nu al, om 128 qubits te regelen, gebruikt ons voorgestelde geïntegreerde circuit ongeveer 100 miljoen transistors. Zoals hieronder vermeld, moet de elektronica bij cryogene temperaturen werken om de vereisten aan de bedrading te verlichten. Het blijkt dat standaard CMOS-apparaten bij cryogene temperaturen kunnen werken, en met specifieke ontwerptechnieken zijn we in staat geweest om hoge prestaties en laag vermogen te bereiken zoals vereist is voor het besturen van qubits. Hoge prestaties omdat qubits extreem kwetsbaar zijn en zeer nauwkeurige elektrische signalen vereisen. Laag vermogen omdat het koelvermogen van cryogene koelkasten beperkt is."

Het fundamentele onderzoek bij QuTech kent tal van uitdagingen. Ook bij het ontwikkelen van een cryogene cmos-interface komt veel kijken, zegt de wetenschapper: "Ten eerste zijn qubits fragiel en vereisen dus zeer nauwkeurige en geluidsarme besturingssignalen. De elektronica moet dus hoge prestaties leveren. Tegelijkertijd is, hoewel hoge prestaties in een circuit meestal worden vertaald naar een hoger verbruik, bij een cryogeen circuit het maximale stroomverbruik beperkt door het koelvermogen van de koelkast. We moeten dus circuits met een hoog rendement bouwen, dus hoge prestaties behalen met een beperkt energiebudget. Om het circuit voor een optimaal stroomverbruik te optimaliseren, moeten we bovendien precies weten wat de qubits nodig hebben. Zo voorkomen we een nodeloos complex ontwerp. Om dit op te lossen, moesten we het effect van elk kenmerk van het elektrische signaal op de qubit-prestaties bestuderen en de qubits en de elektronica co-simuleren en co-ontwerpen."

Maar ook de uiterst lage temperaturen vragen het uiterste van de wetenschappers en hun ontwerpen, zegt Sebastiano: "Cmos-apparaten zijn niet gebouwd om te werken bij cryogene temperatuur en er bestaat er geen standaardmodel om hun gedrag bij cryogene temperatuur te simuleren, wat heel anders is dan kamertemperatuur. Om dit probleem te adresseren, werkte mijn groep enerzijds om cmos-apparaten bij die temperaturen te karakteriseren en geschikte simulatiemodellen te bouwen, en anderzijds om circuitontwerptechnieken te ontwikkelen die rekening houden met dergelijk verschillend gedrag."

Hoe lang moeten we nog wachten?

QuTech maakt, net als andere onderzoekers, gestaag vorderingen met hun research naar kwantumcomputers. Toch zal het nog jaren gaan duren voordat er praktisch bruikbare kwantumcomputers bruikbaar zijn, denkt Sebastiano: "Functionele kwantumcomputers zijn al een realiteit. De belangrijkste problemen zijn echter het zeer hoge foutenpercentage van ultramoderne qubits en het lage aantal qubits dat beschikbaar is in die machines. Ik denk dat het nog tien jaar zal duren voordat kwantumcomputers complexe praktische problemen kunnen oplossen, dat wil zeggen problemen die niet door standaardcomputers kunnen worden opgelost én die praktische toepassingen hebben, zoals het simuleren van een complex molecuul of een nieuw materiaal."

Ondertussen wordt bij de Universiteit van Nieuw-Zuid-Wales (UNSW Sydney) ook interessant onderzoek gedaan naar hoe met behulp van kunstmatige atomen qubits in chips opgenomen kunnen worden. Sebastiano is zeer geïnteresseerd in dit onderzoek van zijn collega's: "De onderzoekers van UNSW hebben een nieuwe, meer betrouwbare en robuuste manier laten zien om qubits te bouwen op basis van spin-qubits. Dit is erg interessant, omdat ik een groot voorstander ben van dit soort qubits als kandidaten voor grootschalige kwantumcomputers. Verschillende manieren om qubits te bouwen worden momenteel onderzocht, maar spin-qubits hebben veelbelovende eigenschappen: ze zijn extreem klein, waardoor miljoenen in een klein geïntegreerd circuit kunnen worden gebouwd, ze kunnen worden gebruikt bij een relatief hogere temperatuur - boven 1K - waarvoor betere koelvermogens beschikbaar zijn. Zo kunnen ze in principe op dezelfde chip worden geïntegreerd naast reguliere cmos-elektronica. Dus ze zijn de beste kandidaat om te worden aangedreven door de cryo-cmos-circuits die ik ontwikkel, en worden samen met dergelijke elektronica geïntegreerd."

Wilt u de lezing van Fabio Sebastiano bijwonen? Meld u gratis aan voor het RF Technology event 2022.