Nieuwe siliciumchip breekt records en verbetert kwantumcomputers
Nieuwe actieve ingrediënten, onverwachte wondermaterialen en razendsnelle planning van optimale routes: de belofte van quantumcomputers is enorm. Eerdere prototypes bevatten echter slechts enkele rekeneenheden, die bovendien zeer foutgevoelig zijn. Om op spin gebaseerde kwantumcomputers stabieler te maken, hebben onderzoeksteams van de Universiteit van Melbourne en de Universiteit van Manchester de zuiverste siliciumchip tot nu toe geproduceerd: bijna volledig samengesteld uit één enkele siliciumisotoop.
Kwantumcomputers gebruiken eigenschappen uit de kwantumfysica om bepaalde berekeningen sneller uit te voeren dan klassieke computers. Hun rekeneenheden, qubits genoemd, kunnen overeenkomen met een één of een nul, zoals een conventionele bit – of een kwantumtoestand ergens daar tussenin. Dergelijke gesuperponeerde toestanden spelen een belangrijke rol bij kwantumberekeningen, maar zijn zeer kwetsbaar voor interferentie. De kleinste schokken of temperatuurschommelingen kunnen ervoor zorgen dat een qubit zijn superpositietoestand verliest (ongeveer 40 procent één en 60 procent nul) en een duidelijke nul of één wordt. Een andere belangrijke eigenschap van qubits is dat ze met elkaar verstrengeld kunnen zijn: in dit geval worden de informatie-eenheden aan elkaar gekoppeld, zodat de toestand van de een volledig afhankelijk is van de toestand van de ander. Verstrengeling en superpositie zijn de twee belangrijkste kenmerken waarmee kwantumcomputers problemen kunnen oplossen waar klassieke computers falen.
Bit versus qubit
© Spectrum van Wetenschap / Manon Bischoff (detail)
Klassieke bits (links), zoals computers ze tegenwoordig gebruiken, kunnen twee verschillende toestanden hebben: één of nul. De informatie-eenheden van kwantumcomputers, qubits genoemd (rechts), kunnen ook één, nul en alles daartussenin zijn. Wanneer ze zich in de gesuperponeerde toestand bevinden (weergegeven door de pijl), komen ze overeen met een combinatie van nul en één. Deskundigen verklaren deze verscheidenheid aan superposities met behulp van een bolvormig oppervlak, een zogenaamde Bloch-bol.
Kwantumcomputers kunnen elk van hun qubits naar een gewenste toestand sturen. De pijl die de toestand van de qubit vertegenwoordigt, kan dus naar elk punt op het oppervlak van de bol worden gericht. Maar zodra de meting is uitgevoerd, bijvoorbeeld aan het einde van de berekening, stort de gesuperponeerde toestand van de qubit in tot nul of één.
De echte diversiteit aan qubits kan alleen worden benut tijdens computationele bewerkingen. Bovendien moeten rekeneenheden worden beschermd tegen de omgeving, omdat externe verstoringen als een schaalvergroting werken: als de qubit-status midden in een berekening onbedoeld instort, vertekent dit het resultaat.
Tot op heden zijn er verschillende technische benaderingen om qubits te realiseren. Bedrijven als Google of IBM vertrouwen bijvoorbeeld op supergeleidende circuits die corresponderen met informatiemodules, terwijl Quantinuum gebruik maakt van ionenvallen en QuEra gebruik maakt van ultrakoude atomen. Een andere veelbelovende aanpak zijn op spin gebaseerde qubits, die gebruikmaken van gewone halfgeleidertechnologie. “Chips zoals die tegenwoordig in computers worden gebruikt, bestaan uit miljarden transistors – en kunnen ook worden gebruikt om qubits te genereren voor op silicium gebaseerde kwantumcomputers.” Zegt natuurkundige Ravi Acharyade hoofdauteur van Werk gepubliceerd in het tijdschrift “Communication Materials”..