Programmeren op een silicium quantum chip

14 februari 2018

Quantum technologie maakt grote sprongen vooruit. Nu wetenschappers enkele qubits met grote betrouwbaarheid controleren mag het wel wat meer op een echte computer gaan lijken. Bruikbare quantum chips vereisen programmeerbaarheid: de mogelijkheid om een zelfgekozen berekening uit te voeren. Wetenschappers van QuTech in Delft realiseerden nu een programmeerbare twee-qubit quantum processor in silicium en voerden daarmee twee quantum algoritmes uit. Ze publiceren hun werk in het tijdschrift Nature.

Verwachte beloftes

De quantumcomputer van de toekomst wordt een gamechanger op het gebied van grote berekeningen. Door gebruik te maken van quantum superposities en verstrengeling van quantum bits (qubits) kunnen berekeningen parallel worden uitgevoerd. 'Hierdoor worden nu praktisch onmogelijke berekeningen zoals het factoriseren van grote priemgetallen en het zoeken in grote ongesorteerde lijsten binnen afzienbare tijd mogelijk,' verwacht professor Lieven Vandersypen.

Programmeerbare berekeningen

Het is wetenschappers in de afgelopen jaren gelukt steeds betere qubits te realiseren. Deze enkele qubits worden inmiddels gecontroleerd en gemeten met zulke hoge betrouwbaarheid dat bruikbaar programmeren belangrijk wordt. Om universele quantum berekeningen te kunnen doen zijn operaties nodig die individuele qubits controleren en operaties die meerdere qubits gecontroleerd verstrengelen. 'Deze set operaties moet zo voorhanden zijn dat ze in zelfverkozen volgorde een algoritme uitvoeren,' legt Tom Watson uit, 'dat noemen we programmeerbaarheid.'

Bekend materiaal

De wetenschappers van QuTech en het Kavli Instituut voor Nanowetenschappen Delft in het team van Lieven Vandersypen, in samenwerking met collega's van de Universiteit van Wisconsin, richten zich op qubits in silicium chips. Deze qubits ontstaan door met behulp van gecontroleerde elektrische spanning enkele elektronen 'op te sluiten'. Silicium is een veelbelovend materiaal: het is volledig doorontwikkeld door de huidige computer industrie en zorgt op een natuurlijke manier voor weinig verstoringen van onze qubits. Vandersypen: 'silicium quantum chips lijken erg op de industriële klassieke computer chips en de qubits kunnen volledig elektronisch worden gecontroleerd.'

Muntjes gooien

Door de betrouwbare operaties in de twee-qubit quantum chip lukte het de wetenschappers eerste quantum algoritmes te programmeren en uit te voeren. Het eerste algoritme, het Deutsch-Josza algoritme, test of een functie 'even' of 'oneven' is. Watson: 'het is alsof je een muntje maar één keer hoeft op te gooien om te zien of beide kanten hetzelfde zijn of niet.' Daarnaast voerden ze het zogeheten 'Grover-search algoritme uit'. Dit algoritme zoekt in één keer het juiste antwoord in een ongesorteerde set.

Toekomstmuziek

Dit voorbeeld van een programmeerbare quantum chip met betrouwbare qubits in silicium is een belangrijke mijlpaal op weg naar betrouwbare en schaalbare quantum berekeningen. De wetenschappers lieten zien dat de qubits controleerbaar zijn, met hoge betrouwbaarheid kunnen worden verstrengeld en dat operaties kunnen worden opgevolgd tot een quantum algoritme. 'Om complexere algoritmes uit te kunnen voeren gaan we silicium quantum chips maken met meer qubits, zowel in de Delftse cleanrooms als in industriële cleanrooms bij onze partner Intel.' stelt Lieven Vandersypen.

Bron: TU Delft