EnglishOnderdeel voor quantumchips gemaakt in een gewone chipfabriek
Onderzoekers bouwden een superinductor, een onderdeel dat tot nu toe op maat moest worden gemaakt, in een gewone chip uit een commerciële fabriek. Daarmee maakten ze een kleine, snelle sensor voor quantumcomputers op siliciumchips.
Quantumcomputers met chips van silicium hebben een groot voordeel: ze kunnen in principe in dezelfde fabrieken worden gemaakt als gewone computerchips. Maar sommige onderdelen die zo'n quantumchip nodig heeft, moesten tot nu toe apart en op maat worden gebouwd. Een internationaal team laat nu zien dat een van die onderdelen ook gewoon in een commerciële chipfabriek kan worden gemaakt. Het onderzoek staat in het vakblad Nature Electronics.
Aan het werk deden onderzoekers mee van het Spaanse onderzoekscentrum nanoGUNE in Baskenland, het Britse quantumbedrijf Quantum Motion, het London Centre for Nanotechnology, Imperial College London en de University of Cambridge.
Wat is een superinductor?
Een inductor, of spoel, is een gewoon onderdeel in elektronica. Hij verzet zich tegen snelle veranderingen in de stroom. Samen met andere onderdelen vormt hij een kring die op één bepaalde frequentie meetrilt, zoals een stemvork op één toon. Zo'n kring gebruiken onderzoekers om met radiogolven heel kleine signalen uit een quantumchip te lezen.
Een superinductor is een spoel met een extreem grote inductie, die bovendien bijna geen energie verliest. Zulke onderdelen moesten tot nu toe met speciale technieken en materialen worden gemaakt. Daardoor waren ze lastig te combineren met de productie van chips op grote schaal.
Het materiaal zat er al in
De onderzoekers gebruikten een standaard productieproces van chipfabrikant GlobalFoundries. In dat proces zit al een dun laagje titaniumnitride. Bij een temperatuur van ongeveer één graad boven het absolute nulpunt (-273 °C) wordt dat materiaal supergeleidend: stroom loopt er dan zonder weerstand doorheen. De elektronen in het materiaal zijn dan ook traag om op gang te komen of af te remmen, en dat geeft het laagje een grote inductie op een heel klein oppervlak.
Daardoor is hun superinductor piepklein. Volgens de onderzoekers is de sensor die ze ermee bouwden meer dan 10.000 keer kleiner dan wanneer ze de gewone spoelen uit zulke chips hadden gebruikt.
Een snelle sensor
Met de superinductor bouwde het team op dezelfde chip een sensor die merkt of er een enkel elektron in een piepklein vakje van silicium zit. Zo'n sensor is nodig om spin-qubits uit te lezen: quantumbits die hun informatie opslaan in de draairichting van één elektron.
De sensor werkte snel en nauwkeurig. Volgens de onderzoekers heeft hij meer dan honderd keer minder tijd nodig voor een betrouwbaar signaal dan de beste eerdere vergelijkbare sensor. Het laagje bleef ook werken in een sterk magneetveld, en dat is nodig omdat spin-qubits met een magneetveld worden bediend.
De volgende stap is de sensor combineren met chips waarin meerdere qubits naast elkaar zitten, om te laten zien dat ze die in veel minder dan een miljoenste seconde kunnen uitlezen. Volgens het team kunnen zulke spoelen ook nuttig zijn voor radiotelescopen en zuinige elektronica die bij extreem lage temperaturen werkt.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Een bruikbare quantumcomputer heeft heel veel qubits nodig, en elke qubit moet worden uitgelezen. Dat lukt alleen als de onderdelen daarvoor op grote schaal kunnen worden gemaakt, net als de miljarden transistors in een gewone chip. Dit onderzoek laat zien dat een belangrijk onderdeel daarvoor in een bestaande chipfabriek kan worden gemaakt, en dat het klein en snel is. Dat is een stap richting quantumchips die in grote aantallen van de band kunnen rollen.
