Quantumcomputers zijn zeer energie-efficiënte, krachtige supercomputers. Om hun volledige potentieel te kunnen benutten in nieuwe toepassingen zoals kunstmatige intelligentie of machinaal leren, is het onderzoek naar de onderliggende elektronica in volle gang. Een team van onderzoekers van het Fraunhofer IZM werkt aan supergeleidende verbindingen van slechts 10 micrometer dik. Het brengt hen een grote stap dichter bij de implementatie van commercieel levensvatbare quantumcomputers.
Met hun hoge rekenkracht beloven quantumcomputers de drijvende kracht te worden achter moderne technologieën in alle industriële sectoren. In tegenstelling tot conventionele digitale computers rekenen zij niet met bits, maar met qubits: Door hun speciale eigenschappen kunnen deze deeltjes veel meer aannemen dan alleen de binaire toestanden 1 of 0. Deze logica geeft de quantumcomputer een radicaal voordeel in termen van snelheid, prestaties en mogelijke complexiteit van de berekeningen. Meer qubits betekent meer snelheid en meer rekenkracht.
Veel mogelijke toepassingen
De mogelijke toepassingen van een quantumcomputer zijn zeer divers: overal waar ingewikkelde berekeningen van enorme datasets, simulaties of kansberekeningen moeten worden verwerkt, zouden zij problemen in enkele seconden kunnen oplossen. Van geoptimaliseerde logistiek en verkeersmanagement tot zeer nauwkeurige voorspellingen, of van de productie van nieuwe medische behandelingen met nauwkeurig gemodelleerde moleculen tot vrijwel onbreekbare encrypties voor de financiële sector, alles lijkt mogelijk.
Geen eenvoudige transitie
Maar de transitie naar het nieuwe technologische tijdperk is geenszins eenvoudig: tot dusver hebben de quantumcomputers van de eerste twee generaties fundamentele inzichten in de werking van het apparaat mogelijk gemaakt. Functionele pioniers, bijvoorbeeld in het onderzoekscentrum van Jülich, hebben momenteel een indrukwekkende 5.000 qubits in gebruik. Dat wil zeggen: 25.000 potentiële toestanden voor elk afzonderlijk quantumdeeltje. Deze eerste successen leveren echter ook hindernissen op. Het complexe netwerk van elkaar overlappende qubits is gevoelig, waardoor er soms fouten in de berekeningen kunnen sluipen. Daarom moeten de oplossingen door foutcorrectie worden geperfectioneerd, waarvoor dan weer veel meer qubits nodig zijn dan voor de eigenlijke berekening. Onderzoekers verwachten dat toekomstige quantumcomputers elk minstens 100.000 tot zelfs een miljoen qubits zullen hebben.
Hoge dichtheid
Om een dergelijke hoge qubit-dichtheid in een systeem te bereiken, moeten nieuwe geïntegreerde schakelingen en lijnen in extreme miniaturisatie worden geproduceerd. Tegelijkertijd moeten deze bestand zijn tegen temperaturen tot -273° C; want alleen in een dergelijke koude omstandigheden vertragen de roostertrillingen in de vaste stoffen zodanig dat de qubits langer verstrengeld blijven en dus gemakkelijker kunnen worden gemanipuleerd of uitgelezen. Om zelfverhitting door elektrische stromen te voorkomen, worden bij lage temperaturen verliesvrije supergeleiders gebruikt. Het team onder leiding van Dr. Hermann Oppermann van het Fraunhofer IZM in Berlijn is verantwoordelijk voor de ontwikkeling en constructie van juist deze supergeleidende omleidingen en cryogene verpakkingen.
Efficiënte verbindingstechnologie
De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe op indium gebaseerde technologie voor efficiënte verbindingstechnologie bij cryogene temperaturen met behulp van soldeercontacten, de zogenaamde ‘bumps’. Het materiaal is supergeleidend onder 3,4 Kelvin en blijkt zelfs in de buurt van het absolute nulpunt robuust te zijn. Om elektronische structuren van indium te maken, wordt het galvanisch afgezet met behulp van een speciale elektrolyt. Daartoe moest het indium van de voor deze structuurbreedtes gebruikelijke nikkelbasis worden overgebracht naar een alternatieve basis.
10 micrometer
De vervanging van deze basis was nodig omdat nikkel door zijn eigenschappen grote magnetische velden produceert, die zouden leiden tot interferentie met de qubits. De nieuwe metaalovergang creëert een compatibele startlaag voor de daaropvolgende indiumdepositie. Deze processen maken een wereldwijd onovertroffen miniaturisatie voor cryogene verbindingen mogelijk, aangezien de rasterafstand van de geleiderpaden minder dan 10 micrometer bedraagt.
Supergeleidende connectoren
Het team maakte ook supergeleidende connectoren met extreem laag verlies van niobium en niobiumnitride. Er werd een innovatief proces ontwikkeld voor de niobiumcoating die vervolgens met ionenstralen werd geëtst om compacte connectoren te maken in een uitzonderlijke legering die bij cryogene temperaturen werkt en hoge stroomdichtheden aankan. Nadat de indium bumps en de supergeleidende circuitdragers klaar waren, werden de componenten onderworpen aan temperaturen onder 3 Kelvin in een speciale cryogene test – met succes.
Ook interessant: Fraunhofer en QuTech zetten samen schouders onder quantum communicatie (+video)
