Waar is een Si-QuBus goed voor?

Kwantumcomputers, computers die rekenen met behulp van sleutelbegrippen uit de kwantummechanica, zoals superpositie en verstrengeling, beloven problemen op te lossen die voor conventionele computers onoplosbaar zijn. De informatie in een kwantumcomputer wordt gecodeerd in qubits, zeer kleine, fysische kwantumelementen. Om een realistische kwantumcomputer te kunnen opereren, zijn miljoenen qubits nodig. Dit vraagt om een schaalbare qubit architectuur. In de silicium chips die wij voor dit experiment gebruiken, coderen we een qubit in de spin van een enkel elektron. In recent uitgevoerde onderzoeken, hebben we reeds een enkel elektron in silicium gevangen in een zogenoemde ‘quantum dot’, de spin van zo’n enkel elektron gemanipuleerd, het elektron in superpositie geplaatst en deze qubit verstrengeld met een andere qubit. Tot nu toe zijn deze experimenten uitgevoerd op chips met maximaal twee qubits. Echter, om een bruikbare kwantumcomputer te maken, zijn miljoenen qubits nodig

Conventionele computerchips zijn, net als onze kwantumchips, gemaakt van silicium. De schaalbare technologie waarop deze conventionele chips zijn gebaseerd, is nagenoeg gelijk aan de technologie waarmee wij ‘quantum dots’ maken. Toch is het opschalen van onze kwantumchips niet evident; de qubits – en dus ook de gevangen elektronen – moeten zeer dicht bij elkaar staan om te kunnen interageren. Daartegenover staat dat een schaalbare architectuur ruimte op de kwantumchip laat voor de benodigde elektrische verbindingen en voor het inbedden van kwantumchipelementen met klassieke siliciumelektronica.

Ons idee is om een nieuw, functioneel element toe te voegen; de kwantumbus (QuBus).  De QuBus zal een enkel elektron – en dus de quantuminformatie – over een afstand van ongeveer 10 micron pendelen. Door elektronen over de qubus te shuttlen en zo op afstand met elkaar te verbinden, wordt de ruimte op de chip gegenereerd die nodig is om aansturingselektronica te plaatsen. Op deze manier wordt een schaalbare chip gecreëerd. De QuBus is compatibel met industriële fabricage en in dit consortium profiteren we van industriële partners zoals LETI, STMicroelectronics en Intel. We zijn voornemens om in dit project electronen over een QuBus te shuttlen in chips van verschillende materialen (SiGe en SiMOS), met als uiteindelijke doel kwantumteleportatie over een QuBus te demonstreren. Daarnaast onderzoeken we de mogelijkheden tot vertakking van de QuBus, opdat we, met de QuBus als interconnect, chips kunnen fabriceren met tweedimensionale, fouttolerante netwerken van verstrengelde qubits.

Schematische weergave van een QuBus. Een quantum dot wordt gevormd in een silicium quantumpotentiaal door spanningen aan te brengen over metalen elektroden die in verschillende lagen op het silicium oppervlak liggen. Door de spanningen over deze elektroden te pulseren wordt een eendimensionaal potentiaal minimum, de ‘quantum dot’, dat één enkel elektron bevat, over een elektrostatisch gevormd, eendimensionaal kanaal heen en weer geshuttlet. Transistoren die meer elektronen bevatten (SET) worden gebruikt om het verplaatste elektron en zijn spintoestand aan de uiteinden van de QuBus detecteren.

Further reading on this topic:
Long-range quantum bus for electron spin qubits in silicon
Interfacing spin qubits in quantum dots and donors—hot, dense, and coherent