Onderzoekers van de Universiteit van Warwick en het Canadese NRC hebben een nieuw ontwerp voor kwantumchips voorgesteld dat een van de grootste obstakels in de bouw van grootschalige kwantumcomputers moet helpen wegnemen: de communicatie tussen zeer grote aantallen qubits over lange afstanden op één en dezelfde chip. Het concept, dat de naam Quantum Phononic Links (QPLs) draagt, maakt gebruik van geluidachtige trillingen die door een speciaal ontwikkeld materiaal reizen om kwantuminformatie te vervoeren tussen qubits die fysiek ver van elkaar liggen. Het werk werd gepubliceerd in het vakblad APL Quantum.
- Warwick en NRC Canada introduceren Quantum Phononic Links om qubits over lange afstand te koppelen.
- Geluidstrillingen (fononen) fungeren als een ‘kwantumbus’ die informatie draagt.
- De techniek is ingebouwd in het chipmateriaal en zou werken over chips tot 300 mm doorsnede.
Waarom afstand een probleem is voor kwantumcomputers
Een kwantumbit, of qubit, is de basiseenheid van een kwantumcomputer. In de huidige toonaangevende kwantumchips kunnen doorgaans alleen naast elkaar gelegen qubits rechtstreeks met elkaar communiceren. Voor werkelijk bruikbare kwantumcomputers verwachten ingenieurs echter dat ze miljoenen qubits over een volledige halfgeleiderchip moeten kunnen coördineren, en niet slechts clusters van aangrenzende qubits.
Precies daar knelt het. Om qubits die ver uit elkaar liggen toch te laten samenwerken, is een soort verbindingskanaal nodig. Het team stelt voor om daarvoor geluidsvibraties in te zetten, bekend als fononen, als een ingebouwd communicatiesysteem waarmee qubits over veel grotere afstanden informatie kunnen uitwisselen dan nu mogelijk is.
“Een van de belangrijkste uitdagingen in kwantumcomputing is de connectiviteit tussen qubits over lange afstand”, zegt dr. Maksym Myronov van het Department of Physics van de Universiteit van Warwick.
“Ons werk introduceert een nieuw concept waarin fononen fungeren als een kwantumbus, waardoor ver van elkaar gelegen qubits kwantuminformatie kunnen uitwisselen terwijl ze volledig verenigbaar blijven met halfgeleidertechnologie”, aldus Myronov.
Trillingen die door het chipmateriaal zelf reizen
Het concept steunt op een gespecialiseerd materiaal: compressief gespannen germanium op silicium, in het Engels aangeduid als cs-GoS. Dat materiaal werd bij Warwick ontwikkeld met geavanceerde epitaxiale groeitechnieken, waarbij dunne kristallijne lagen laag voor laag worden opgebouwd. In dit materiaal zijn de qubits bijzonder gevoelig voor de kleine trillingen die door de dunne germaniumlaag lopen.
Door die trillingen zorgvuldig te ontwerpen en te sturen, tonen de onderzoekers aan dat kwantuminformatie in principe kan worden overgedragen tussen qubits, of ze nu vlak naast elkaar zitten of over een volledige halfgeleiderchip tot 300 mm doorsnede van elkaar gescheiden zijn.
Een compactere route dan bestaande alternatieven
Andere benaderingen voor verbindingen over lange afstand leunen op microgolven of extern opgewekte akoestische oppervlaktegolven. Die vergen doorgaans complexe ontwerpen en extra hardware die aan de chip wordt bevestigd. QPLs daarentegen zijn rechtstreeks ingebouwd in het halfgeleidermateriaal dat de qubits herbergt.
Dat verschil is meer dan een technisch detail. Omdat de aanpak verenigbaar is met bestaande productietechnieken voor halfgeleiders, zou hij volgens de onderzoekers een compactere, goedkopere en beter schaalbare route naar toekomstige commerciële kwantumprocessoren kunnen bieden. Voor de bredere sector betekent dit dat een eventuele overstap niet noodzakelijk een volledig nieuwe fabricageketen zou vereisen, wat een belangrijke drempel wegneemt.
Belangrijk om te benadrukken: het gaat vooralsnog om een theoretisch concept. De onderzoekers laten zien dat de overdracht in principe mogelijk is; een werkende chip die op deze manier ver uit elkaar liggende qubits koppelt, is met deze publicatie nog niet gebouwd. De studie verscheen in APL Quantum onder de titel over quantum phononic links voor koppeling van spin-qubits in compressief gespannen germanium op silicium.
Denk je dat geluidstrillingen de sleutel worden tot bruikbare kwantumcomputers, of blijven ingebouwde fononen voorlopig vooral een veelbelovend idee op papier? Deel je kijk hieronder.
