Hoe elektronica bevriezen helpt om qubits aan te sturen

- EN- NL
Besturingselektronica ontwikkeld om extreme kou te weerstaan, artistiek weergege
Besturingselektronica ontwikkeld om extreme kou te weerstaan, artistiek weergegeven op een stapel ijs. Beeld: Bas Czerwinski voor QuTech.

Onderzoekers van Fujitsu en QuTech hebben nieuwe en ultrakoude elektronica ontwikkeld om op diamant gebaseerde quantumbits aan te sturen. Als resultaat van hun gezamenlijke onderzoeksproject wordt het mogelijk om grotere quantumcomputers te bouwen door de ’wiring bottleneck’ te overwinnen, met behoud van hoge kwaliteitsprestaties. Het is zelfs zo dat zowel de quantumbits als de aansturingselektronica gemakkelijk kunnen worden bediend in één compacte cryogene koelkast. De onderzoekers publiceren hun resultaten op IEEE’s ISSCC.

De functionele quantumcomputer van de toekomst zal miljoenen quantumbits, of ’qubits’, bevatten. Ze zullen in staat zijn om complexe problemen veel sneller te verwerken dan klassieke computers, vooral op gebieden als cryptografie, optimalisatie en simulatie. Bovendien zullen ze in staat zijn om problemen op te lossen die onmogelijk zijn voor klassieke computers, wat een belangrijke mijlpaal is in de geschiedenis van de informatica.

Dichtbij het absolute nulpunt

Voordat het zover is, moeten er een paar uitdagingen overwonnen worden. Eén daarvan is het handhaven van de extreem lage temperatuur, waarbij de qubit normaal gesproken werkt. Qubits maken gebruik van extreem kwetsbare quantumeffecten die door veel dingen worden verstoord, zoals zelfs de kleinste hoeveelheid warmte. Daarom worden qubits afgekoeld tot de koudst mogelijke temperaturen, dicht bij het absolute nulpunt: 0 Kelvin (of -273°C).

Het is al een hele prestatie om iets tot zo’n temperatuur af te koelen: het zou zonde zijn als er hitte in het hart van een quantumcomputer zou lekken tijdens het maken van berekeningen. Die hitte zou onmiddellijk de informatie vernietigen die de qubit bevat, waardoor elke quantumcomputer onbetrouwbaar en onbruikbaar zou worden. Het is nu gangbaar om een paar qubits koud genoeg te houden door ze in een kleine cryogene koelkast te plaatsen en ze met een paar draden te verbinden met de elektronica buiten de koelkast. Maar het is erg moeilijk om duizenden of zelfs miljoenen qubits aan te sluiten met evenzoveel draden die de koelkast uitkomen. Zoveel draden tussen de koude qubits en de elektronica op kamertemperatuur heeft een dramatische invloed op de betrouwbaarheid, de fabricage en de grootte van het apparaat.

Vries in die elektronica!

Waarom niet de hele computer bevriezen, in plaats van alleen de qubits? Dat is makkelijker gezegd dan gedaan, omdat de meeste elektronica alleen bestand is tegen omgevingstemperaturen van -40°C tot +125°C, temperaturen die veel hoger liggen dan de temperatuur van de typische qubit. Maar dit is precies wat onderzoekers en ingenieurs van QuTech - een samenwerking tussen de TU Delft en TNO - deden. Ze gebruikten cryo-CMOS hardware om de extreme temperaturen van een qubit koelkast te weerstaan, zonder dat dit ten koste ging van de prestaties van het hele systeem en de schaalbaarheid.

Hoofdonderzoeker Fabio Sebastiano (QuTech en TU Delft) legt uit: "Bij het ontwerpen van elektrische systemen is er altijd een balans tussen prestaties en vermogen: de toename van het ene betekent een afname van het andere. Onze uitdaging is om hoge prestaties te verkrijgen en tegelijkertijd het stroomverbruik niet te beperken. Dit is cruciaal omdat te veel vermogen de cryogene koelkast die wordt gebruikt om het systeem op een lage temperatuur te houden, zou kunnen oververhitten. We gebruikten specifieke cryogene elektronische controllers (cryo-CMOS controllers) om het knelpunt van de interconnectie te verlichten: nu hebben we minder draden nodig om de cryogene koelkast binnen te gaan, wat de schaalbaarheid van de hele quantumcomputer enorm verbetert."

Zijn collega (ook QuTech en TU Delft) en hoofdonderzoeker Masoud Babaie voegt daaraan toe: "Om cryo-CMOS-controllers verder te verfijnen, is een gecombineerde ontwerpaanpak van elektronica en quantumprocessoren gunstig. Dit houdt in dat qubits strategisch worden opgesteld en verbonden met de controllers. Voor elk quantumplatform is een zorgvuldig onderzoek nodig van de signaalbehoeften en controlleroptimalisatie voor schaalbaarheid, waarbij de nadruk ligt op het verminderen van het stroomverbruik en de fysieke grootte. Dit is essentieel voor de ontwikkeling van grotere quantumcomputers."

Dr. Shintaro Sato, Fellow, SVP & Head of Quantum Laboratory bij Fujitsu Research, Fujitsu Limited, legt uit: "Bedrading tussen regelcircuits en qubits is een veelvoorkomend probleem bij het opschalen van quantumcomputers. De resultaten van ons gezamenlijk onderzoek onderstrepen het potentieel van cryo-CMOS-technologie voor diamant-spin-qubits om dit knelpunt te overwinnen. We verwachten dat de nieuwe technologie ons in staat zal stellen om de hoge schaalbaarheid te bereiken die verwacht wordt in quantumcomputers die diamant-spin-qubits gebruiken."

Van spin-qubits naar diamant

Eerder bereikten de onderzoekers een cryogene controller voor spin-qubits in silicium. Hoewel die spin-qubits (in principe) samen met de cryogene elektronica in een standaard proces voor geïntegreerde circuits (bijv. CMOS) gefabriceerd kunnen worden, hebben de diamant-qubits die hier gebruikt worden een aantal andere voordelen. Ze hebben een betere natuurgetrouwheid, ze kunnen gemakkelijker op afstand met elkaar verbonden worden, waardoor er ruimte ontstaat voor elektronica in de buurt, en ze kunnen bij een (relatief) hogere temperatuur werken. De hogere werktemperatuur is vooral relevant voor de elektronica, omdat werken bij 1 kelvin (-272,15°C) moeilijk maar eenvoudiger is dan werken bij 0,020 kelvin.

Vervolgstappen

Het werk markeert een grote stap door voor het eerst cryogene elektronica voor diamant-qubits te laten zien. Terwijl de zeer belangrijke eerste stap van het besturen van een enkele qubit met cryogene elektronica nu is bereikt, werken de onderzoekers al aan de volgende stappen door alle
andere benodigde functionaliteiten toe te voegen, zoals het uitbreiden van 1-qubit operaties naar 2-qubit operaties en het implementeren van de qubit uitleesfunctionaliteit, en door in het algemeen op te schalen naar grotere quantumprocessors.

Publicatiedetails

"A Cryo-CMOS Controller with Class-DE Driver and DC Magnetic-Field Tuning for Color-Center-Based Quantum Computers", L. Enthoven, N. Fakkel, H. Bartling, M. van Riggelen, K-N. Schymik, J. Yun, E. Tsapanou Katranara, R. Vollmer, T. Taminiau, F. Sebastiano, M. Babaie, 2024, IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC).