Silicium dan toch een oplossing voor kwantumcomputers?

Een team onderzoekers aan de TU Delft en de University of Wisconsin maakten onlangs grote vorderingen op gebied van kwantumcomputers. Met steun van Intel slaagden ze erin om een kwantumcomputer op basis van een silicium-chip te testen.

Kwantumcomputers zijn een relatief nieuwe vorm van computertechnologie die zich baseert op de kwantummechanica. Op dit moment bestaan er nog enorm veel verschillende visies van hoe die die technologie precies moet gebouwd en toegepast worden.

Qubits

Een traditionele computer werkt, in essentie, door data om te zetten in binaire code: nullen of enen. Iedere bit kan daarbij telkens maar een van die twee opties tegelijk invullen. Dit is waar kwantumcomputers drastisch verschillen van traditionele computers. Kwantumcomputers gebruiken ‘qubits’ die op hetzelfde moment zowel ‘0’ als ‘1’ kunnen zijn. Dit fenomeen van ‘superpositie’ blijft bestaan tot we de waarde van de qubit controleren. Theoretisch gezien zou een kwantumcomputer dus een enorm aantal berekeningen tegelijk kunnen uitvoeren, veel meer dan een binaire computer.

Een van de grote problemen die er nu nog bestaan voor kwantumcomputers, is hoe we die qubits fysiek kunnen maken. De meest voorkomende manier om qubits te maken is door gebruik te maken van supergeleidende materialen zoals aluminium en die af te koelen tot extreem lage temperaturen. Google en IBM experimenteren vooral met deze supergeleidende qubits.

Silicium

Toch zijn er ook andere manieren om qubits te creëren. Een daarvan is aan de hand van silicium-chips. Silicium is dé standaard om traditionele computerchips te maken, maar wordt vaak gezien als niet-ideaal voor kwantumcomputers. De qubits gemaakt op Silicium zouden namelijk moeilijk te controleren zijn en ook zou het nog onduidelijk zijn of dergelijke kwantumcomputers ook op grotere schaal kunnen werken.

Daar hoopt CPU-gigant Intel verandering in te brengen door gebruik te maken van zogenaamde ‘spin qubits’. Die qubits bestaan uit de interactie van twee elektronen in een silicium-chip. Hierdoor ontstaat er een soort van kleine magneet, die twee mogelijke toestanden heeft: ‘op’ of ‘neer’ waartussen de qubit de hele tijd ‘spint’. Die toestand wordt gecontroleerd door een kobaltmagneet en microgolven.

Ze schakelden daarvoor een team van onderzoekers aan de TU Delft (QuTech) en University of Wisconsin in. In een paper die onlangs verscheen in ‘Nature’ maakten ze bekend dat ze erin geslaagd waren om een kwantumcomputer te bouwen met twee spin-qubits die enkele basistests, zoals een database doorzoeken, doorstond. Dit is een grote stap om te tonen dat silicium misschien wel een oplossing kan bieden voor de problemen waar kwantumcomputers nu nog op stuiten.

Er zijn verschillende voordelen verbonden aan het gebruik van silicium-chips, waardoor het misschien wel de moeite waard is om de obstakels te overwinnen. Eerst en vooral is de huidige CPU-industrie al afgestemd op het produceren van silicium, terwijl supergeleidende chips nog relatief nieuw zijn. Daarnaast vertelde Thomas Watson, onderzoeker van QuTech, in MIT Technology Review dat silicium ervoor zou kunnen zorgen dat qubits dichter op elkaar geplaatst kunnen worden. Dat is bij een kwantumcomputer van enorm belang. Op die manier kunnen qubits elkaar meer beïnvloeden, wat een verhoging in rekenkracht met zich meebrengt. Spin-qubits blijven ook langer in een ‘kwantum staat’ dan hun supergeleidende tegenhangers. Daardoor kunnen er meer berekeningen uitgevoerd worden.

De toekomst

Of spin-qubits dé toekomst van kwantumcomputing zijn, dat valt nu nog moeilijk te zeggen. De technologie achter kwantumcomputers staat nog maar in zijn kinderschoenen.

Wie trouwens hoopt om op termijn zijn desktopcomputer te kunnen vervangen door een kwantumcomputer, moeten we ook teleurstellen. Alhoewel de technologie in theorie een veel snellere computer kan opleveren dan wat we nu kennen, zal die hoogstwaarschijnlijk enkel gebruikt worden voor berekeningen en dataversleuteling, niet voor algemene taken.