Pieter Edelman
14 October 2016

Een van de kwantumcomputerprojecten binnen het Qutech-consortium gebruikt microgolven om de qubits in te stellen. Tot nog toe was er voor elke kwantumbit een eigen peperdure rf-opstelling nodig, maar dankzij een vector switch matrix kan nu een enkele opstelling grote aantallen qubits aan.

De i in de i/o-bus voor kwantumprocessoren, zo kan volgens Duije Deurloo van TNO het systeem worden beschouwd dat de afdeling Radartechnologie vorige week toonde op haar stand op de European Microwave Week. Het systeem werd ontwikkeld in het kader van het Qutech-consortium met de TU Delft, dat aan technieken werkt voor het bouwen van een kwantumcomputer.

Qutech heeft verschillende ijzers in het vuur om qubits (kwantumbits) te maken, en sommige typen ‘communiceren’ via een elektromagnetisch veld in het microgolfdomein. Om deze qubits te besturen, worden er rf-pulsen over de aanvoerende transmissielijnen gestuurd.

Met de traditionele laboratoriumaanpak, waarbij elke qubit zijn eigen microgolfrandapparatuur heeft, loopt dat nogal in de papieren. Apparatuur om met de benodigde nauwkeurigheid te werken in dit frequentiespectrum kost tienduizenden euro’s. Voor het aansturen van elke qubit was traditioneel grofweg voor een ton aan signaalgeneratoren en mixers nodig.

Dat is nog prima zolang het om grensverleggend onderzoek gaat naar het gedrag van een handvol qubits. Maar een kwantumprocessor die meer kan dan triviale demonstraties vereist veel meer kwantumbits. En dan vormt de traditionele aansturing een serieuze belemmering. Daarom bedacht Qutech enkele jaren terug het idee van een microwave vector switch matrix (vsm), een systeem dat het signaal van een enkele golfbron gebruikt om een groot aantal qubits te adresseren.

 advertorial 

The waves of Agile

Derk-Jan de Grood created a rich source of knowledge for Agile coaches and leaders. With practical tips to create a learning organization that delivers quality solutions with business value. Order The waves of Agile here.

‘In feite hebben we een router gemaakt tussen die dure rf-opstelling en de qubits. Dat is het switch-deel’, vertelt Deurloo. ‘Maar qubits hebben elk een eigen productietolerantie waardoor ze niet allemaal gelijk zijn, dus als je exact dezelfde puls stuurt, reageren ze daar allemaal net iets anders op. Met een rf-fasedraaier en -verzwakker kunnen de pulsen worden gekalibreerd voor individuele qubits. Dat is het vector-deel.’

TNO vsm
Het tweede prototype van de microwave vector switch matrix

Multicasten

Het prototype werkt in het frequentiegebied tussen vier en acht gigahertz om met een specifiek type qubit (transmon) overweg te kunnen. Dit zijn een soort supergeleidende oscillatoren die met relatief grote aantallen op een chip kunnen worden gemaakt. ‘We noemen het ook wel artificiële atomen. Ze resoneren op een bepaalde frequentie, en die kun je met microgolfpulsen veranderen. Wat er kwantumbit aan is, is dat dat gediscretiseerde resonantiefrequenties zijn.’

Het idee is om de qubits in een surface code-configuratie te plaatsen, een methode waarin continu foutdetecties worden uitgevoerd. Daarvoor zijn tientallen qubits nodig, maar slechts in vier verschillende frequentie-uitvoeringen. Met de vsm is het hele signaalgeneratorgedeelte – overigens wordt ook daaraan gewerkt door eigen specifieke apparatuur te ontwerpen – dan slechts vier keer nodig.

Een belangrijke eigenschap van de vsm voor deze configuratie is dat het niet alleen mogelijk is om pulsen naar individuele qubits te routeren maar ook om ze tegelijk naar een groot aantal exemplaren te sturen. ‘Bij die surface-code-algoritmes moeten vaak heel veel qubits dezelfde operatie krijgen. Met ons systeem kunnen we dezelfde microgolfpuls naar een hele groep multicasten’, legt Deurloo uit.

Uiteindelijk denkt het team dat dit leidt tot een standaard eenheidscel van vier qubits die meerdere keren op een chip kan worden neergelegd. ‘Een beetje vergelijkbaar met fpga’s, waar je ook eenheidscellen van flipflops of vermenigvuldigers hebt. Bij ons werkt zo’n eenheidscel dan met een vast aantal verschillende qubit-frequenties, en daar kunnen we allemaal exacte kopieën van maken zonder dat je opnieuw alle randapparatuur nodig hebt’, zegt Deurloo.

Het huidige prototype was dan ook vooral bedoeld om de haalbaarheid van dit gepatenteerde principe aan te tonen, en dat is gelukt. De volgende stap, waaraan momenteel hard wordt gewerkt, is om het systeem, inmiddels generatie drie, verder op te schalen voor het besturen van nog meer kwantumbits.

Duije Deurloo zal tijdens de Dutch RF Conference op 23 november in Nijmegen dieper ingaan op de microwave vector switch matrix. De eerste experimenten met de vsm zijn onlangs gepubliceerd in NPJ Quantum Information.