Simultaneous operation of an 18-qubit modular array in germanium

In dit artikel demonstreren de auteurs de gelijktijdige initialisatie, besturing en uitlezing van een uitbreidbaar 18-qubit array in germanium met hoge fideliteit, wat een veelbelovende stap is naar schaalbare halfgeleider quantumprocessors.

De kern

Stel je voor dat je een gigantisch orkest probeert te dirigeren, maar in plaats van violen en trompetten heb je 18 tiny tiny deeltjes (qubits) die als muzikanten fungeren. De uitdaging? Ze moeten allemaal tegelijkertijd spelen, perfect op elkaar afgestemd, zonder dat ze elkaar verstoren.

Dit is precies wat een team van onderzoekers in Delft (Groove Quantum en QuTech) heeft gedaan. Ze hebben een 18-qubit computer gebouwd op basis van germanium (een materiaal dat lijkt op silicium, maar dan nog beter voor deze taak).

Hier is hoe ze het hebben gedaan, vertaald naar alledaags taal:

1. Het Bouwplan: De "Module"

Vroeger bouwden wetenschappers quantumcomputers als een lange, saaie rij huisjes. Als je er één wilde uitbreiden, werd de hele rij onoverzichtelijk en rommelig.

Deze onderzoekers hebben een slimme truc bedacht: De Module.
Stel je voor dat je een legpuzzel hebt. In plaats van één enorme puzzel te maken, bouw je eerst kleine blokken van 6 stukjes (een "unit cell"). Elk blokje heeft zijn eigen kleine "hoofd" (een sensor) dat precies ziet wat er in dat blokje gebeurt.

• De truc: Ze hebben drie van deze blokjes naast elkaar gezet. 3 blokjes × 6 qubits = 18 qubits.
• Het voordeel: Als je morgen 1000 qubits nodig hebt, bouw je gewoon meer van diezelfde blokjes. Je hoeft niet het hele ontwerp opnieuw te bedenken. Het is als Lego: je klikt er gewoon een blokje bij.

2. De Uitdaging: "De Vliegveld-chaos"

In een quantumcomputer is het heel moeilijk om alles tegelijk aan te sturen. Vaak moet je één qubit instellen, wachten, dan de volgende, enzovoort. Dat is alsof je op een druk vliegveld één voor één de vliegtuigen laat opstijgen. Het duurt eeuwen.

Bij dit nieuwe ontwerp kunnen ze alles tegelijk doen.

• Analogie: Stel je voor dat elk van die drie blokjes een eigen luchtverkeersleider heeft. Die leiders werken onafhankelijk van elkaar. Terwijl de ene leider een vliegtuig (qubit) laat opstijgen, doet de ander hetzelfde met een ander vliegtuig in een ander blokje.
• Resultaat: Ze kunnen alle 18 qubits tegelijk "wakker maken" (initialiseren), "commanderen" (controleren) en "aflezen" (readout) zonder dat het systeem in de war raakt.

3. De Kwaliteit: "De Perfecte Pianist"

Het is makkelijk om veel qubits te hebben, maar als ze niet goed werken, is het nutteloos. Je wilt dat ze precies doen wat je zegt.

• De onderzoekers hebben getest hoe goed deze qubits luisteren.
• Het resultaat: Gemiddeld doen ze het 99,8% van de tijd perfect.
• Vergelijking: Stel je voor dat je 1000 keer een piano-toets indrukt. Bij een slechte computer zou je 20 keer een verkeerde noot horen. Bij deze computer hoor je maar 2 verkeerde noten. Dat is extreem nauwkeurig.

4. De Magie: "Samenwerken"

De echte kracht van een quantumcomputer zit in het laten "praten" van de qubits met elkaar. Ze moeten met elkaar verstrengelen (entangle) om complexe berekeningen te doen.

• De onderzoekers hebben bewezen dat qubits in hun blokjes perfect met hun buren kunnen praten.
• Ze hebben zelfs een GHZ-toestand gemaakt. Dat is een heel ingewikkeld woord voor een situatie waarin drie qubits zo met elkaar verbonden zijn dat ze als één enkel, onlosmakelijk geheel fungeren.
• Analogie: Het is alsof je drie dansers hebt die zo perfect op elkaar zijn afgestemd dat als de ene een stap maakt, de andere twee onmiddellijk en perfect meedansen, zelfs als ze niet naar elkaar kijken.

Waarom is dit belangrijk?

Tot nu toe waren de grootste quantumchips vaak kleine, experimentele prototypes die moeilijk uit te breiden waren.
Dit artikel laat zien dat we een schaalbaar systeem hebben.

• De toekomst: Omdat ze gebruikmaken van germanium (een materiaal dat de chipindustrie al kent) en een modulaire opzet, kunnen we in de toekomst heel makkelijk groeien. Van 18 qubits naar 100, naar 1000, en uiteindelijk naar de miljoenen die nodig zijn voor een echte "supercomputer" die ziektes kan genezen of nieuwe materialen kan ontwerpen.

Kortom: Ze hebben de eerste echte "proefversie" van een schaalbare quantumcomputer gebouwd, waar alle onderdelen tegelijk werken, perfect op elkaar afgestemd zijn, en die makkelijk te vergroten is. Het is een enorme stap van "kinderstoel" naar "volwassen computer".

Technische samenvatting

Probleemstelling

De realisatie van kwantumcomputers op nutsschaal (utility-scale) vereist de integratie en bediening van een groot aantal qubits. Hoewel halfgeleider-spinqubits een veelbelovende kandidaat zijn vanwege de mogelijkheid om hybride kwantum-klassieke architecturen te bouwen, blijft het schalen van deze systemen terwijl de prestaties en controle behouden blijven, een grote uitdaging.
Bestaande demonstraties van spin-qubit arrays (tot 12 qubits in silicium en 10 in germanium) zijn vaak beperkt tot sequentiële bediening van individuele qubits en vertrouwen op maatgemaakte, niet-modulaire ontwerpen. Er ontbreekt een experimentele demonstratie van een modulaire, uitbreidbare architectuur die gelijktijdige, hoog-trouwheidscontrole en parallelle uitlezing over een geïntegreerd tweedimensionaal raster mogelijk maakt, zonder dat de overhead voor state preparation and measurement (SPAM) toeneemt met de systeemgrootte.

Methodologie

De auteurs presenteren een 18-qubit kwantumverwerker (QPU) op basis van germanium, gebouwd op een Ge/SiGe-heterostructuur. De kern van de oplossing is een modulair 2×N-architectuur:

1. Modulair Ontwerp: Het apparaat bestaat uit drie herhaalde 2x3-qubit eenheidscellen (totaal 18 qubits). Elk eenheidscel heeft een lokaal één-dimensionaal gate-uitloopontwerp, wat een eenvoudige uitbreiding naar grotere arrays mogelijk maakt.
2. Sensorintegratie: Elke eenheidscel is uitgerust met een toegewijde ladingsensor (charge sensor) die de ladingsstaat van alle quantum dots in die specifieke cel kan uitlezen. Dit voorkomt meetcrosstalk tussen verschillende cellen.
3. Bedieningsprotocollen:
   • Initiële instelling: De qubits worden bediend in een extern magnetisch veld (Bx=0.83 mT, By=50 mT, Bz=10 mT) dat is gekozen om dicht bij het "in-plane sweet spot" te liggen, waar de hyperfijne interactie minimaal is.
   • Pariteitsuitlezing: In plaats van elke qubit individueel uit te lezen, wordt de pariteit van verticale qubitparen gemeten via Pauli-spinblokkade (PSB).
   • Parallelle bediening: Initiatie, controle en uitlezing worden uitgevoerd op het niveau van de eenheidscel. Binnen een cel worden de paren sequentieel bediend om interacties te voorkomen, maar verschillende cellen worden gelijktijdig bediend.
4. Twee-qubit poorten: De koppeling tussen qubits wordt gereguleerd via de uitwisselingsinteractie (exchange interaction) door spanningen op de barrièregates. Er wordt gebruik gemaakt van een decoupled Controlled-Z (CZ) poort in een Ramsey-sequentie om de poort te kalibreren.

Belangrijkste Bijdragen

• Grootste Spin-Qubit Array: Dit is tot nu toe de grootste spin-qubit array die is gedemonstreerd (18 qubits).
• Modulaire Schaalbaarheid: Het bewijs dat een 2×N-architectuur met dedicated sensors kan worden geschaald zonder dat de SPAM-overhead lineair toeneemt met het aantal qubits.
• Gelijktijdige Bediening: De eerste demonstratie van gelijktijdige initialisatie, controle en uitlezing over een volledig 2D-array in germanium.
• High-Fidelity Operatie: Het behalen van hoge poorttrouwheidsniveaus over het hele array, wat essentieel is voor foutcorrectie.

Resultaten

De experimentele resultaten tonen een hoge mate van controle en coherentie:

• Single-Qubit Poorttrouwheid:
  • Gemiddelde single-qubit gate fideliteit: 99,8%.
  • Mediaan single-qubit gate fideliteit: 99,9%.
  • Alle 18 qubits presteren boven de 99,4%.
• Coherentietijden:
  • Gemiddelde dephasing tijd ($T_2^*$): 6,2 µs.
  • Gemiddelde CPMG-coherentietijd ($T_2^{CPMG}$): 0,47 ms.
  • Het grote verschil tussen $T_2^*$ en $T_2^{CPMG}$ wijst erop dat de coherentie wordt beperkt door laagfrequente ruis, wat suggereert dat verdere verbetering mogelijk is in isotopisch gezuiverd germanium.
• Twee-Qubit Koppeling:
  • De uitwisselingskoppeling ($J$) is goed afstelbaar met een gemiddelde afstelbaarheid van 19 ± 2,9 mV/dec.
  • Er zijn hoogwaardige Controlled-Z (CZ) poorten geïmplementeerd.
• Kwantumalgoritme:
  • De auteurs hebben een drie-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)-toestand gegenereerd op de qubits Q7, Q9 en Q10.
  • Dit bewijst de connectiviteit in beide richtingen van het 2D-array en de functionaliteit van de multi-qubit entanglement.
• Crosstalk: Er is sprake van zeer lage crosstalk tijdens gelijktijdige bediening. Een kleine crosstalk in de uitlezing van Q11/Q12 bij het uitlezen van Q5/Q6 wordt toegeschreven aan de gevoeligheid van de sensor, maar kan worden onderdrukt door sensorontwerpverbeteringen.

Betekenis en Toekomstperspectief

Deze resultaten vormen een mijlpaal voor de ontwikkeling van schaalbare halfgeleider-kwantumprocessoren.

1. Architecturale Blauwdruk: Het artikel biedt een blauwdruk voor een modulaire, uitbreidbare architectuur die de "wiring bottleneck" (het probleem van te veel bedrading) aanpakt door parallelle bediening per eenheidscel.
2. Integratie met Klassieke Elektronica: De compatibiliteit met geavanceerde halfgeleiderproductie en de mogelijkheid tot integratie met cryogene controle-elektronica maken dit een haalbare route naar fouttolerante kwantumcomputing.
3. Schaalbaarheid: Door het gebruik van industriële fabricagetechnieken en een gestructureerd modulair ontwerp, kan dit platform worden uitgebreid naar honderden of duizenden qubits, een noodzakelijke stap voor utility-scale computing.

Samenvattend bewijzen de auteurs dat spin-qubit arrays in germanium kunnen worden geschaald naar een 18-qubit systeem terwijl de hoge fideliteit en controle-integriteit behouden blijven, wat een cruciale stap is op weg naar praktische kwantumcomputers.