Quantumcomputers in silicium

In de enkelionenimplantor TIBUSSII (Triple Ion Beam UHV System voor Enkelionenimplantatie) kunnen doelgericht individuele vreemde atomen in een materiaal worden ingebracht, bijvoorbeeld om qubits te genereren. (Bron: B. Schröder / HZDR) / In de enkelionenimplantor TIBUSSII (Triple Ion Beam UHV System voor Enkelionenimplantatie) kunnen individuele dopanten atoom voor atoom in een materiaal worden geïmplanteerd, bijvoorbeeld om qubits te genereren. (Bron: B. Schröder / HZDR)

Het EQUSPACE-consortium (Enabling New Quantum Frontiers with Spin Acoustics in Silicon) heeft 3,2 miljoen euro ontvangen uit het Pathfinder Open-programma van het Europese Innovatieraad (European Innovation Council – EIC) om de ontwikkeling van kwantentechnologieën op siliciumbasis te bevorderen. Het project brengt naast het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) vier andere partners uit drie EU-landen samen en verenigt experts uit de gebieden spin-qubits, optomechanica en atomaire siliciummodificaties, om een nieuwe kwantumplatform op siliciumbasis te ontwikkelen.

Hoewel silicium het centrale materiaal is voor klassieke computers, speelt het bij de momenteel populaire kwantumcomputerconcepten geen sleutelrol. Het zou echter zeer zinvol zijn om de siliciuminfrastructuur, die al meerdere miljarden euro's kost en gebaseerd is op halfgeleitertechnologie, ook te gebruiken voor de verwerking van qubits – de kwantummechanische informatie-eenheden. Onderzoekers hebben aangetoond dat zogenaamde donor-spin-qubits eigenlijk bijzonder geschikt zijn daarvoor. Deze qubits maken gebruik van een eigenschap van vreemde atomen, hun spin, om informatie te verwerken. Ze onderscheiden zich in vergelijking met andere kwantumsystemen door lange tijdsperioden waarin ze stabiel blijven om kwantummechanische bewerkingen uit te voeren. Momenteel zijn ze echter niet de werkpaard van commerciële kwantumcomputers, omdat er geen geschikte koppeling- en uitleesmechanismen bestaan die voor schaalvergroting op een praktisch nuttig niveau kunnen worden gebruikt.

EQUSPACE streeft er nu naar om in Europa een lange termijn toekomst voor donor-spin-qubits op siliciumbasis te creëren. Het platform wil de op kleine atomaire spins gebaseerde qubits via geluidsgolven in oscillatiestructuren met elkaar verbinden. Daarnaast worden laser en enkel-elektronentransistors ingezet om aan het einde van de kwantummechanische berekening het resultaat elektrisch uit te lezen. Het project moet een schaalbare oplossing bieden voor alle belangrijke aspecten van een kwantumplatform: de controle en het uitlezen van het resultaat, de spin-spin-koppeling tussen qubits, en de doorgifte van kwantuminformatie tussen reken-eenheden op de chip. Het uiteindelijke resultaat zou een volledig kwantuminformatieplatform kunnen zijn dat qubits, verbindingscomponenten en schaalbare controle- en uitleseelektronica omvat.

HZDR-expertise in silicium-kwantumtechnologie

Een team van het Instituut voor Ionensstrahlphysica en Materiaalonderzoek van het HZDR zal zijn expertise in de atomaire modificatie van silicium voor kwantumtoepassingen inbrengen en de materiaalwetenschappelijke methoden verder ontwikkelen die als basis voor het project dienen. Het team zal daarvoor gebruik maken van een gefocuste ionenstraal om ultra-rein silicium lokaal te verrijken met het isotopenisotoop silicium-28. Silicium-28 heeft het voordeel dat de atoomkernen ervan, in vergelijking met veel andere materialen, geen spin bezitten die kan interageren met magnetische velden of de spin van andere deeltjes, en zo de berekeningen zou kunnen verstoren. „Door gerichte verrijking met speciale isotopen blijft de kwantumtoestand langer stabiel. Dit maakt complexere kwantumbewerkingen mogelijk, en het platform kan zo in de toekomst klassieke computers en andere kwantumcomputersystemen overtreffen”, zegt HZDR-projectleider Dr. Nico Klingner.

Naast de isotopenverrijking ontwikkelt het team de implantatie van enkel-ionen van donor-atomen. Hiermee moeten individuele bismut-atomen worden geïmplanteerd, waarvan de spin een twee-toestandsysteem vormt dat optioneel naar „boven” of „onder” kan wijzen. De bijzonderheid van de qubits is dat bij zeer lage temperaturen beide toestanden gelijktijdig in superposities kunnen bestaan: de spin kan zich tegelijkertijd in een combinatie van de toestanden „boven” en „onder” bevinden. Zo kunnen kwantumcomputers veel berekeningen parallel uitvoeren, wat hun rekenkracht drastisch kan verhogen.

Een van de belangrijkste voordelen van donor-spin-qubits is hun relatieve stabiliteit in vergelijking met andere soorten qubits, bijvoorbeeld die gebaseerd op supergeleidende schakelingen. De spin in een donor-atoom is minder gevoelig voor verstoringen uit de omgeving, waardoor de kwantumtoestand langer kan worden gehandhaafd. Deze stabiliteit is essentieel voor de schaalvergroting van kwantumcomputers naar een groter aantal qubits, zonder dat de coherentie of de precisie van de berekeningen verloren gaan. „Deze bijdragen van het HZDR, met name op het gebied van isotopenverrijking, implantatie en spanningsoptimalisatie in halfgeleiders, zijn van fundamenteel belang voor het succes van het EQUSPACE-project”, schat professor Juha Muhonen, de coördinator van het project, in.

Versterking van de positie van Europa in de wereldwijde kwantumstrijd

Het EQUSPACE-consortium bestaat uit onderzoekers van de Universiteit Jyväskylä, het VTT Technical Research Centre of Finland, het HZDR, het NWO-instituut AMOLF in Nederland en de Finse start-up SemiQon Oy. De samenwerking weerspiegelt de groeiende betrokkenheid van Europa in de wereldwijde kwantumstrijd. Gezien de verscherping van de wereldwijde concurrentie staat de Europese kwantumindustrie voor grote uitdagingen door de concurrentie van leidende landen zoals de VS, China, Canada en Australië.

„De aanpak van EQUSPACE is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat Europa competitief blijft op het snel voortschrijdende gebied van kwantumtechnologieën. Met deze financiering bouwt EQUSPACE een krachtig onderzoeksnetwerk in Europa op, gebaseerd op donor-spin-qubits – een ontwikkeling die de Europese kwantumindustrie op lange termijn zal versterken”, legt Muhonen uit. De financiering maakt deel uit van het Horizon Europa-programma. Het project, geleid door de Universiteit Jyväskylä, begint op 1 februari 2025.

Gefinancierd door de Europese Unie. De uitingen en meningen zijn echter uitsluitend die van de auteurs en weerspiegelen niet noodzakelijkerwijs die van de Europese Unie of het Europees Innovatieraad. Noch de Europese Unie noch de toekenningsautoriteit kunnen hiervoor aansprakelijk worden gesteld.

Meer informatie:

Prof. Juha Muhonen
Universiteit Jyväskylä
Tel.: +358401905352 | E-mail: juha.t.muhonen@jyu.fi

Dr. Nico Klingner
Instituut voor Ionensstrahlphysica en Materiaalonderzoek aan het HZDR
Tel.: +49 351 260 2524 | E-mail: n.klingner@hzdr.de