Quantum computingSemiconductor technology & processing

5 min

Imec wil kwantumrekenen met silicium qubits

Imec breidt zijn siliciumplatform uit om ook qubits en de ondersteunende elektronica te realiseren, om zo een bijdrage te leveren tot het domein van kwantumrekenen.

Scroll

Best of 2016 / Editie oktober 2016

Eén van de belangrijkste uitdagingen in de volgende jaren is het mogelijk maken van kwantumrekenen, een concept dat nu nog grotendeels theoretisch is. Computers gebaseerd op kwantumprincipes beloven een fenomenale versnelling van de rekensnelheid. Daarmee kunnen bepaalde problemen aangepakt worden waarvoor klassieke computers nooit efficiënt genoeg zullen worden. Dat maakt kwantumrekenen zo interessant, zowel voor theoretici als voor ingenieurs die werken aan de ultieme computer. En daarom ook zijn onderzoeksgroepen overal ter wereld bezig met het knutselen aan qubits, kwantumpoorten en circuits. Ze doen dat met technieken die de hele moderne fysica omspannen. Imec heeft één van ’s werelds meest geavanceerde platformen voor het schalen van silicium CMOS-technologie voor klassieke computers, een platform waarmee we nu werken aan 5nm-technologie en kleiner. Bij die schaal beginnen kwantumeffecten een steeds belangrijkere rol te spelen. Dus is ons platform een unieke basis om een kwantumcomputer te ontwerpen, zegt Iuliana Radu, imec expert in  ‘Beyond CMOS’-onderwerpen.  

Rekenen in parallelle werelden

Een klassieke computer werkt met gegevens in de vorm van bits. De fysische implementatie van zo’n bit kun je je best voorstellen als een schakelaar die aan of uit staat, wat ofwel een ‘1’ of een ‘0’ voorstelt. Als we acht zo’n bits samen zetten hebben we een byte, en daarmee kunnen we één van 256 mogelijke binaire getallen opslaan.

Maar in de kwantumwereld kunnen entiteiten in een superpositie van toestanden zijn; ze zijn niet ofwel ‘1’ of ‘0’, maar een beetje van allebei. Neem bijvoorbeeld de spin van een elektron, die we klassiek voorstellen als één van twee toestanden, ofwel naar boven gericht ofwel naar beneden, maar die eigenlijk allebei tegelijk is. In de wereld van de kwantuminformatie noemen we zo’n elementaire entiteit een qubit (een kwantumbit dus).

Een belangrijke eigenschap van kwantumentiteiten is dat ze met elkaar verbonden kunnen zijn, als twee of meer gesynchroniseerde dansers. Als twee entiteiten zo verbonden zijn (‘entangled’ in het Engels), dan zal een verandering in de éne entiteit ook onmiddellijk in de tweede te zien zijn.

Superpositie en verbondenheid geven kwantumsystemen hun kracht. Als we erin slagen om acht qubits met elkaar te laten dansen, dan hebben we een qubyte. En zo’n qubyte slaat niet één van 256 binaire getallen op, maar 256 terzelfdertijd. En elke berekening op de qubyte zal gebeuren op de 256 getallen tegelijk, alsof we 256 computers hebben die in parallel op een aparte input werken. Of, in een interpretatie van de kwantumwereld, alsof de berekening gebeurt in 256 parallelle werelden.

Wat houdt ons dan tegen om kwantumcomputers te bouwen? Wel, eerlijk gezegd, heel wat ... 

Onbetreden paden

Een werkende, betrouwbare kwantumcomputer ontwerpen, kan alleen als we afzonderlijke kwantumentiteiten (bv. elektronen) kunnen manipuleren. Daarna moeten we erin slagen om voldoende van die elementen samen aan het dansen te krijgen, en dat lang genoeg om betekenisvolle berekeningen te kunnen doen. Bovendien moeten we nog een manier vinden om de resultaten uit te lezen zonder de berekening te vernietigen. 

Misschien wel het meest kritische element van kwantumcomputers is het gesloten aspect: de toestand van de dansende qubits moet volledig geïsoleerd worden van de buitenwereld. Een informatielek kan het subtiele evenwicht, de gesynchroniseerde dans van de qubits, verstoren en dus de berekening in de war sturen. In de taal van de kwantumcomputers spreken we dan van ‘decoherentie’.

Een andere uitdaging heeft te maken met het identificeren van de problemen die het best door kwantumcomputers kunnen opgelost worden, en het ontwerpen van de algoritmes waarmee dat kan. Eén van de eerste zo’n problemen waar wetenschappers een algoritme voor vonden, was het opdelen van grote getallen in priemgetallen, een berekening die voor klassieke computers zoveel rekenkracht en –tijd vraagt dat in de praktijk onmogelijk is, en daarom gebruikt wordt als basis voor cryptografie. Sindsdien zijn nog heel wat andere kwantumalgoritmes voorgesteld, zoals adiabatic annealing algoritmes die systemen van lineaire en differentiaalvergelijkingen oplossen, algoritmes voor sorteren en rangschikken, en algoritmes voor chemische simulaties. Zo blijft het aantal problemen uitbreiden dat met kwantumcomputers kan aangepakt worden. 

Op zoek naar een fysische realisatie van een kwantumcomputer hebben wetenschappers het laatste decennium geëxperimenteerd met heel wat fysische modellen. Cold ion traps, kwantumoptica (met fotonen en optische caviteiten), superconducting qubits en halfgeleidende qubits zijn allemaal interessante kandidaten. Dit heeft een wereldwijde race gestart om werkende qubits te demonstreren, met concepten die toelaten om een array van qubits te realiseren, en om die qubits zo lang mogelijk samen te laten ‘dansen’. 

Wat nog niet zoveel aandacht kreeg, maar ook essentieel is: naast de uitdaging om de qubits te laten dansen, is er ook de moeilijkheid om de controlecircuits te ontwerpen waarin die qubits opereren. Elke praktische kwantumcomputers zal ook elektronica nodig hebben om de qubits te initialiseren en uit te lezen, om gedeeltelijke resultaten op te slaan en fouten te corrigeren, en om het kwantumsysteem te verbinden met de wereld, bv met klassieke computerhardware.

Een schaalbare kwantumcomputer in silicium

De meeste pogingen om kwantumcomputers te bouwen maken gebruik van exotische materialen en technieken om de – toegegeven – bijzondere circuits te bouwen. Maar recente experimenten hebben getoond dat qubits ook in siliciumtechnologie kunnen gemaakt worden, bv door gebruik te maken van de spins van individuele elektronen. Deze ondervinden relatief weinig hinder van de omgeving, kunnen lang coherent gehouden worden en kunnen nauwkeurig gemanipuleerd en gecontroleerd worden. Recent nog, in 2015, slaagde een onderzoeksgroep er in om de eerste logische kwantumpoort in silicium te creëren, de basis voor een werkende computer. 

Resultaten zoals deze en discussies met onze partners hebben er toe geleid dat imec ook in het kwantumonderzoek betrokken is. In onze visie zullen toekomstige systemen bestaan uit heterogene componenten, met gespecialiseerde hardware voor bv. sensors, DNA-analyse, deep learning … Dus het koppelen van een kwantumprocessor aan een supercomputer voor het oplossen van computationeel zeer intensieve taken, zou een logische stap zijn. 

De technische uitdagingen om zo’n volledig kwantumsysteem te ontwerpen en te bouwen zien er vandaag misschien onoverkomelijk uit. Maar imec heeft belangrijke troeven. In onze fabs hebben we wat misschien wel het meest geavanceerde platform ter wereld is voor geavanceerde CMOS-schaling. En op de schaal waarop we vandaag werken, met 5nm-technologie en kleiner, hebben we al heel wat ervaring met het omgaan met kwantumeffecten. Daarom hebben we recent, op de Quantum Europe 2016-conferentie in Amsterdam, aangekondigd dat we ons siliciumplatform gaan uitbreiden om ook qubits en de ondersteunende elektronica te realiseren.

Natuurlijk gaan we daarbij niet alleen te werk. Een aantal van onze partners hebben al interesse getoond, in het bijzonder zij die al vooruit kijken naar de technologie voorbij de wet van Moore. En dan zijn er ook nog de academische groepen die experimenteren met de fundamenten van qubits, poorten en circuits, maar die noch de capaciteit hebben om ze te produceren, noch de ervaring om er een systeem rond te bouwen. We nodigen dan ook iedereen die interesse heeft uit om met ons te komen praten.

Siliciumtechnologie is een interessante basis voor het bouwen van een kwantumcomputer. Qubits in silicium hebben de juiste eigenschappen. Bovendien maken ze kwantumrekenen compatibel met bestaande elektronica. Dat laat toe om een kwantumprocessor te zien als een bouwblok van toekomstige supercomputers, waarbij de fenomenale kwantumrekenkracht ingebed zit in de geavanceerde, conventionele technologie.

 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies