Spin-qubit: hoe de draaiing van een elektron een kwantumcomputer kan aandrijven
Een spin-qubit is een van de manieren om de basiseenheid van een kwantumcomputer te bouwen: de qubit. Waar een gewone computerbit altijd een 0 of een 1 is, kan een qubit dankzij de kwantummechanica in een combinatie van beide tegelijk verkeren. Bij een spin-qubit wordt die 0 of 1 niet opgeslagen in stroom of spanning, maar in een eigenschap van een enkel elektron (of atoomkern) die 'spin' heet: een soort ingebouwde draairichting die maar twee standen kent, vaak vergeleken met een piepklein magneetje dat naar boven of naar beneden wijst.
Het aantrekkelijke van spin-qubits is dat ze worden gemaakt in silicium, hetzelfde materiaal als gewone computerchips. Vergelijk het met het verschil tussen een handgemaakt horloge en een horloge dat van de lopende band rolt: andere qubit-typen zijn vaak grote, delicate opstellingen, terwijl onderzoekers hopen dat spin-qubits met bestaande chipfabrieken in enorme aantallen te produceren zijn. Die belofte van schaalbaarheid maakt spin-qubits tot een van de veelbelovende, maar nog volop in ontwikkeling zijnde, routes naar een bruikbare kwantumcomputer.
Wat is het precies?
Elektronen hebben van nature een spin die twee waarden kan aannemen: 'spin-up' en 'spin-down'. Deze twee toestanden vormen de 0 en de 1 van de qubit. Dankzij kwantumsuperpositie kan het elektron ook in een mengsel van beide toestanden verkeren, en dat is precies wat kwantumcomputers hun rekenkracht geeft.
Om zo'n elektron te vangen, bouwen onderzoekers een zogeheten kwantumdot: een uiterst klein gebiedje in silicium, aangebracht met metalen elektroden die met spanning het elektron op zijn plek houden. Zo'n structuur wordt ook wel een 'kunstmatig atoom' genoemd, omdat het elektron er net zo wordt vastgehouden als in een echt atoom, maar dan volledig door mensen ontworpen en aanstuurbaar.
De spin van het elektron wordt vervolgens gemanipuleerd met magnetische of elektrische pulsjes op microgolffrequentie, vergelijkbaar met de golven die een magnetron gebruikt, maar dan extreem nauwkeurig getimed en duizenden keren zwakker. Om twee qubits met elkaar te laten samenwerken, brengen onderzoekers twee kwantumdots dicht genoeg bij elkaar dat de elektronen elkaar via de zogeheten uitwisselingswisselwerking 'voelen'. Uitlezen gebeurt door de spintoestand om te zetten in een meetbaar elektrisch signaal, bijvoorbeeld doordat een elektron met een bepaalde spin wel of niet van de ene naar de andere kwantumdot mag springen.
Al dit werk gebeurt bij temperaturen van slechts een fractie boven het absolute nulpunt, meestal in speciale koelkasten die kouder zijn dan de ruimte tussen sterren. Alleen bij zulke extreme kou blijft de spin lang genoeg stabiel om er betrouwbaar mee te rekenen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel is een kwantumcomputer die problemen kan oplossen die voor gewone computers onhaalbaar zijn, zoals het simuleren van complexe moleculen voor medicijnontwikkeling of het kraken van bepaalde vormen van encryptie. Voor zulke taken zijn naar schatting honderdduizenden tot miljoenen foutbestendige qubits nodig, en daar wringt de schoen bij veel huidige kwantumtechnologieën: ze zijn moeilijk op te schalen.
Spin-qubits worden vooral gezien als een kansrijke route omdat ze piepklein zijn, in de orde van honderd nanometer, en gemaakt worden met dezelfde lithografietechnieken als de chips in telefoons en laptops. Dat betekent in theorie dat bestaande, decennia geoptimaliseerde chipfabrieken kunnen worden ingezet om er miljoenen tegelijk te produceren, iets wat voor concurrerende technologieën zoals supergeleidende qubits (gebruikt door Google en IBM) of gevangen ionen veel lastiger is vanwege hun fysieke omvang.
Een tweede aantrekkelijke eigenschap is dat de spin van een elektron, en zeker van een atoomkern, relatief lang 'onthouden' blijft: de kwantuminformatie gaat minder snel verloren dan bij sommige andere qubit-typen. Dat vertaalt zich potentieel in minder foutcorrectie-overhead, al is dat in de praktijk sterk afhankelijk van materiaalkwaliteit en ontwerp.
Voorbeelden uit de praktijk
Verschillende groepen hebben de afgelopen jaren belangrijke stappen gezet. Aan de TU Delft en het onderzoeksinstituut QuTech demonstreerde het team van Lieven Vandersypen in 2022 een processor met zes silicium spin-qubits, destijds een van de grootste werkende systemen van dit type.
In Australië bouwt het bedrijf Silicon Quantum Computing, opgericht door natuurkundige Michelle Simmons, qubits op basis van individuele fosfor-atomen die met atomaire precisie in silicium worden geplaatst. Ook de groep van Andrea Morello aan de University of New South Wales werkt met dit type 'donor-qubits' en behaalde hiermee hoge betrouwbaarheden voor enkele-qubit-bewerkingen.
Intel presenteerde in 2023 de onderzoekschip 'Tunnel Falls', met 12 silicium spin-qubits, die het bedrijf beschikbaar stelde aan onderzoeksinstellingen om softwarematige besturingstechnieken te testen. Intel benadrukt daarbij zijn ervaring met massaproductie van chips als voordeel voor toekomstige opschaling.
In Japan werkt het onderzoeksinstituut RIKEN samen met onder meer de Universiteit van Tokio aan siliciumgermanium spin-qubits, en boekte in 2023 vooruitgang met foutpercentages die dicht bij de drempel voor foutcorrectie komen. In Europa draagt het Belgische onderzoekscentrum imec bij door spin-qubit-structuren te fabriceren op 300-millimeter wafers, dezelfde industriestandaard die ook voor gewone processoren wordt gebruikt.
Hoe ver is de techniek?
Spin-qubits bevinden zich nog in een vroege onderzoeksfase vergeleken met supergeleidende qubits, die inmiddels systemen met honderden qubits hebben bereikt. De grootste publiek gedemonstreerde spin-qubit-processoren tellen momenteel enkele tientallen qubits, en de meeste experimenten gebruiken er nog minder om fundamentele bewerkingen te verfijnen.
Een belangrijke mijlpaal is dat verschillende groepen, waaronder QuTech, RIKEN en Australische teams, betrouwbaarheden (fidelities) boven de 99 procent hebben behaald voor zowel één- als twee-qubit-bewerkingen. Dat is relevant omdat 99 procent doorgaans wordt genoemd als praktische drempel waarboven foutcorrectieschema's haalbaar worden, al blijft er discussie over de exacte eisen in grotere systemen.
De grootste obstakels liggen in de opschaling zelf. Elke kwantumdot moet vrijwel identiek zijn aan de andere, terwijl kleine variaties in het silicium of de fabricage nu nog voor merkbare verschillen tussen qubits zorgen. Ook het bedraden van duizenden individuele besturingslijnen naar qubits die in een extreem koude omgeving zitten, is een technisch vraagstuk dat nog wordt opgelost, onder meer met cryogene besturingschips die dicht bij de qubits zelf werken. Onafhankelijke experts schatten dat het nog jaren, mogelijk een decennium of langer, duurt voordat spin-qubit-systemen met honderden tot duizenden foutbestendige qubits gerealiseerd zijn.
Wie werken eraan?
Op onderzoeksgebied lopen QuTech (een samenwerking tussen de TU Delft en de Nederlandse organisatie TNO) en de Australische onderzoeksgroepen rond Michelle Simmons en Andrea Morello internationaal voorop. Simmons' bedrijf Silicon Quantum Computing en het spin-off-bedrijf Diraq, eveneens met wortels in Sydney, proberen de academische kennis om te zetten in commerciële systemen.
Onder de grote chipbedrijven investeert vooral Intel structureel in spin-qubit-onderzoek, mede vanwege de directe link met zijn bestaande halfgeleiderfabrieken. Het Belgische onderzoekscentrum imec speelt een sleutelrol als fabricagepartner voor meerdere academische en industriële partijen. In Japan zijn RIKEN en de Universiteit van Tokio actief, terwijl in de Verenigde Staten onder meer Princeton University en HRL Laboratories bijdragen aan het veld. Financiering komt vaak van nationale kwantumprogramma's, waaronder het Nederlandse Quantum Delta NL, de Australische overheid en Europese onderzoeksfondsen.