Tussen droom en daad staan weleens wat praktische bezwaren. En dat geldt al helemaal als het over kwantummechanica gaat. Maar liefst 100 jaar nadat Max Born de term muntte in zijn paper ‘Zur Quantenmechanik’, blijven spraakmakende toepassingen zoals een door kwantumcomputers aangezwengelde zoektocht naar nieuwe medicijnen en materialen nog toekomstmuziek.
Hoe dat komt? Naast de complexe aard van kwantumcomputers is hét probleem bij uitstek een gebrek aan betrouwbare, stabiele en ‘schaalbare’ qubits of kwantumbits. Qubits zijn de basisinformatie-eenheden voor een kwantumcomputer en de meeste experts zijn het erover eens dat miljoenen goed gesynchroniseerde qubits nodig zullen zijn voor ‘echte’ kwantumcomputers. Maar zulke kwantumbits zijn inherent schizofreen: enerzijds moeten ze goed geïsoleerd worden van externe invloeden om hun ‘kwantumtoestand’ te behouden. Anderzijds moeten ze kunnen samenwerken om een groot kwantumsysteem te vormen en om gecontroleerd uitgelezen en aangestuurd te kunnen worden. Bij dat uitlezen gaat de kwantumtoestand trouwens onherroepelijk verloren: dat is een van de grote mysteries van de kwantumtheorie. Vandaar de schizofrenie: isolatie is nodig voor kwantumgedrag, koppeling is vereist voor uitlezing en initialisatie. Daarom is het dat goede, betrouwbare qubits zo lastig te produceren zijn: elke niet-gecontroleerde interactie met hun omgeving kan qubits onbedoeld ‘uitlezen’ en dus de kwantumtoestand verstoren – een neiging die ook wel ‘decoherentie’ wordt genoemd.
Even terug naar die ‘kwantumtoestand’: anders dan bits (de informatie-eenheden van een klassieke computer), beschikken qubits over de bijzondere eigenschap dat ze niet alleen in de toestand ‘0’ of ‘1’ kunnen zijn, maar ook in een superpositie van beide toestanden. Dit betekent dat een qubit tegelijk als ‘0’ en ‘1’ kan fungeren, wat kwantumcomputers veel extra rekencapaciteit geeft. Bovendien kunnen qubits via kwantumverstrengeling op afstand met elkaar verbonden zijn, waardoor de toestand van de ene qubit direct invloed heeft op de toestand van een andere, zelfs als ze fysiek ver van elkaar verwijderd zijn. Terwijl dat net de kracht van kwantumcomputers bepaalt en de computationele kracht van een kwantumcomputer in sommige gevallen exponentieel verhoogt, bevat dit ook een inherente extreme gevoeligheid: via verstrengeling is elk deel van de kwantumcomputer gevoelig aan decoherentie van andere, verstrengelde delen, en daarom is de isolatie waar we het daarnet over hadden van het allerhoogste belang.
Er bestaan verschillende manieren om qubits te maken, allemaal gebaseerd op fysieke systemen die zo goed mogelijk van hun omgeving geïsoleerd worden: supergeleidende qubits gebruiken supergeleidende circuits die opereren nabij het absolute nulpunt en waar de circuits zo zijn opgebouwd dat ze inherent beschermd zijn tegen ruis en decoherentie. Spin-qubits in halfgeleiders gebruiken dan weer de ‘spintoestand’ van een elektron in materialen zoals silicium of germanium, een spintoestand die inherent nauwelijks met de omgeving interageert, op een kleine magnetische interactie na (magnetisme werd om die reden gedurende decennia gebruikt voor harde schijven in computers: hun zwakke interactie maakt ze perfect voor informatie-opslagmedia). Zo’n spin kan vergeleken worden met een noord- en zuidpool van een magneet. Als je een elektron in een magnetisch veld plaatst, kan je de spin manipuleren om zich omhoog of omlaag te richten –naar noord of zuid. De status ‘spin omhoog’ of ‘spin omlaag’ kan je dan vergelijken met de ‘0’ en ‘1’ in een klassieke computerbit. Er wordt een mini-antenne ingebouwd om het magnetisch veld aan te brengen en de toestand van de qubits te sturen. Ion trap-qubits worden dan weer gemaakt door individuele ionen in magnetische en optische velden te vangen. Laserpulsen worden er gebruikt om deze toestanden te manipuleren en te koppelen. Atom-array qubits tenslotte werken door individuele neutrale atomen in laserbundels te ‘vangen’ en te manipuleren met andere laserpulsen.
Geen van alle genoemde types qubits is vandaag trouwens goed genoeg voor nuttige kwantumcomputers. De reden is een te laag aantal betrouwbare en geconnecteerde qubits. En als zo’n qubit onvoldoende betrouwbaar is, dan is de uitkomst van een berekening dat ook.
Pas wanneer kwantumcomputers voldoende betrouwbare, beter geconnecteerde en méér qubits hebben, zullen ze een wezenlijk betere job doen om bepaalde, complexe computerproblemen op te lossen. In principe kan je leven met qubits die af en toe een foutje maken, zolang je er andere hebt om die foutjes te corrigeren. Maar hoe beter en betrouwbaarder de qubits zijn, hoe minder je er moet ‘opofferen’ om fouten te corrigeren.(bron: Google Quantum AI, AD 2018)
Sinds enkele jaren is kwantum een hot topic in wetenschappelijke en politieke kringen. Daar zijn de massieve investeringen van de industrie niet los van te zien (in 2023 ging een recordbedrag van 2,35 miljard dollar naar start-upinvesteringen voor kwantum (McKinsey). En dan zijn er daarnaast nog overheidsinvesteringen en investeringen door cloudspelers. Heel wat wereldregio’s, met de VS en vooral China voorop, investeren volop om leiderschap te nemen over de kwantumrevolutie. Maar kwantum zit vandaag nog vooral in het laboratorium – en niet in de fabriek. Om die kloof te overbruggen kan Vlaanderen een verschil maken, met dank aan onze expertise in halfgeleiders.
Silicium, de sleutel om qubits op te schalen?
Hoe gaan we van de huidige generatie kwantumcomputers met honderden qubits naar miljoenen qubits die simultaan werken? Meer en meer wordt hiervoor gekeken naar de geavanceerde methodes van chipproductie op silicium. Net zoals Henry Ford via een indertijd baanbrekend assemblagesysteem slaagde in zijn opzet om met de Ford model T een automobiel voor de ‘gewone man’ te bouwen, ontstaat er een consensus dat het nodig gaat zijn om qubits te bouwen op industriële schaal om de brede doorbraak van kwantum te forceren.
Dat kan op verschillende manieren. Enerzijds kunnen bepaalde qubits, en hun controlesystemen, in silicium gemaakt worden. Zo werd bijvoorbeeld recent een serie hoog-coherente supergeleidende qubits gemaakt in de geavanceerde cleanrooms van imec in Leuven, met dezelfde fabricage-en assemblagemethodes die de moderne siliciumchips maken in smartphones. Supergeleidende qubits staan op dit moment het dichtst bij toepassingen [Vandamme et al, Nature 634, 74 (2024)].
Daarnaast zijn siliciumgebaseerde spin-qubits bij de meest beloftevolle kandidaten om de sprong naar opschaling te maken. Aangezien ze relatief weinig interageren met hun omgeving, hebben ze een inherent voordeel qua coherentie op bijvoorbeeld supergeleidende qubits. In silicium kunnen spin-gebaseerde qubits bovendien heel klein gemaakt worden – minder dan 100 nm dwarsdoorsnede, in vergelijking met de tientallen tot honderden micrometers voor supergeleidende qubits. Silicium is bovendien een materiaal dat we extreem zuiver kunnen maken – dat is te danken aan 60 jaar doorgedreven onderzoek en miljardeninvesteringen in de chipindustrie. Door bestaande, hoogst zuivere siliciumproductieprocessen aan te passen en te focussen op extreem nauwkeurige fabricage, is het mogelijk de uniformiteit en coherentie van siliciumgebaseerde qubits op te drijven. Lees: minder variabiliteit, meer kwaliteit.
Hoewel de processen waarmee we vandaag logische chips en geheugenchips bouwen een goede basis vormen, kunnen ze niet rechtstreeks overgezet worden naar de productie van qubitstructuren. Daarvoor verschillen het design en de verstoringsgevoeligheid van bits en quantumbits te sterk. Wel is het zo dat de geavanceerde productiemethoden en inspectietechnieken in een moderne chippilootlijn zoals de 300mm-fab van imec, toelaten om onmiddellijk en in-line defecten te reduceren of interfaces te verbeteren.
Recent werk van imec-onderzoekers demonstreert de succesvolle integratie van zowel silicium spin- als supergeleidende qubits met een aangepaste productielijn voor 300mm wafers, het basismateriaal voor het gros van de geavanceerde chipproductie, met (voor spin-qubits op silicium) recordlage niveaus van ladingsruis, record-hoge ‘fidelity’ (een typsiche kwantum-parameter die aangeeft hoe ‘goed’ bepaalde operaties kunnen uitgevoerd worden: 99.99% fidelity betekent in praktijk dat slechts 1 op 10.000 keer een qubit ‘faalt’ in de beoogde operatie) en hoge reproduceerbaarheid [Elsayed et al., NPJ Quantum 10, 70 [2024] EN Steinacker et al., arXiv 2410.15590 [2024]].
Naast onderzoek op de qubits zelf, doet imec momenteel ook onderzoek naar op maat gemaakte controlecircuits die de qubits aansturen en uitlezen, die zouden moeten kunnen werken op de extreem koude temperaturen (nabij het absolute nulpunt) die qubits vereisen, zodat de circuits zo dicht mogelijk bij de qubits zelf gebracht kunnen worden, met zo min mogelijk bedrading.
Heel wat tot de verbeelding sprekende kwantumtoepassingen zijn pas te verwachten over 10 à 15 jaar, maar zeker is dat massale opschaling van qubits een cruciale hefboom is om de kwantumrevolutie te versnellen. En in dat laatste is Vlaanderen, met haar kennis over chips en geavanceerde fabricatie, goed geplaatst om het Ford model T-moment van kwantum te faciliteren.
Kwantum en chips: de ene revolutie die de andere mogelijk maakt
Zonder de kwantumfysica zouden we een hele reeks moderne technologieën en inzichten missen die vandaag de dag essentieel zijn in ons dagelijks leven en in de wetenschap. Zonder kwantummechanica – en de beginselen van de vastestoffysica (het begrip hoe elektronen zich gedragen op atomaire schaal en het begrip van de energiebanden) - hadden we geen halfgeleiders kunnen maken, wat betekent dat transistors, de bouwstenen van vrijwel alle moderne elektronica en een aanzienlijk deel van onze huidige wereldeconomie, er niet zouden zijn. Paradoxaal genoeg zijn het net de methodes van chipproductie die vandaag ook essentieel blijken om de kwantummechanica naar haar volgende revolutie te loodsen.
Ook lasers, die gebruikt worden in medische apparatuur, precisiesnijden, optische communicatie, barcodelezers,... werken door gecontroleerde kwantumprocessen. De werking van een laser is direct gebaseerd op kwantummechanische interacties tussen licht en materie. Magnetic Resonance Imaging (MRI) werkt dankzij kwantummechanische effecten in atoomkernen die reageren op magnetische velden. LED-verlichting en zonnepanelen maken gebruik van kwantumfysica om efficiënt licht te produceren of op te vangen.
Wat de toekomst brengt? Algoritmes om betere chemische producten te maken, materiaalkunde op steroïden, kwantumsensoriek die de gevoeligheid van kwantumdeeltjes gebruikt om extreem nauwkeurige metingen te doen, bijvoorbeeld voor veel accuratere plaatsbepaling in navigatie, detectie van aardbevingen of medische beeldvorming zonder straling.
Dit artikel verscheen eerder in EOS magazine
