Paul van Gerven
13 December 2013

De TU Delft richt met een aantal partners het Qutech-instituut op om een kwantumcomputer te ontwikkelen. Waarom is daarvoor nu het moment aangebroken? Welke ontwikkelingen hebben dat mogelijk gemaakt? Een gesprek met een van de deelnemers, de Delftse onderzoeker Leonardo DiCarlo.

Het was uit overtuiging dat Leonardo DiCarlo na zijn promotie op kwantumcomputers koos voor de academische wereld, want ook toen al kon hij bij een pionier in de industrie terecht om aan dit onderwerp te werken. Nu, zo’n tien jaar later, is het onderzoek echter zo goed opgeschoten dat DiCarlo’s academische arbeid alsnog een raakvlak heeft gekregen met het bedrijfsleven. Sinds kort neemt hij deel aan een publiek-privaat consortium dat een kwantumcomputer wil ontwikkelen.

DiCarlo (37) is principal investigator in de Quantum Transport-groep van de TU Delft. Dit collectief van onderzoekgroepen neemt, samen met specialisten uit diverse andere disciplines, deel aan het in oktober aangekondigde Qutech-instituut, dat een van de meest aansprekende wetenschappelijke en technologische uitdagingen van deze tijd aangaat.

Met een korte rondleiding langs zijn huidige en toekomstige werkplek illustreert DiCarlo treffend enkele sleutelaspecten van Qutech. Hij brengt het bezoek eerst naar de onderzoeksruimte waar hij en zijn studenten nu werken. In de nogal kale ruimte niet groter dan een gemiddelde huiskamer staan twee blauwe cryogene cilinders van anderhalve meter hoog en een diameter van nog geen meter, met een manshoge toren regelelektronica ervoor en verder vooral computers waar de experimentatoren achter zitten.

Wijzend naar de met helium gevulde koelinstallaties moet DiCarlo iets van het hart. ‘Dit zijn gesloten systemen. Je hoeft ze niet bij te vullen en ze zijn niet veeleisend in het onderhoud. Je hoort wel eens dat kwantumcomputers nooit iets kunnen worden, omdat ze zo sterk gekoeld moeten worden, maar dat is dus helemaal geen probleem’, aldus de in Argentinië geboren en in de Verenigde Staten opgeleide fysicus.

‘Hier zit nog veel meer werk in’, zegt hij, kloppend op de toren apparaten waarmee de meetsignalen worden gegenereerd en geanalyseerd. De systemen worden veel gebruikt om communicatietechnologie te ontwikkelen en te testen, en DiCarlo kan ze dan ook gewoon inkopen. Maar om de volgende stappen richting een kwantumcomputer te zetten, moet de elektronica meer op maat worden gemaakt. ‘Daarom gaan elektrotechnici ook een belangrijke rol spelen in Qutech. Zij moeten de elektronica rondom onze kwantumsystemen ontwikkelen.’

We nemen een trap naar boven en komen in de ruimte waar de QT-groep binnenkort zijn intrek neemt. Een klusjesman is bezig Fatboy-zitzakken uit te pakken in de verder nog lege, maar fris ogende hal die is ontstaan door enkele binnenmuren in het oude gebouw neer te halen. Door de leegte vallen onmiddellijk de grote gaten op die in de vloer zitten. ‘Daar komen de meetinstallaties onder’, vertelt DiCarlo enthousiast. ‘Alle onderzoekers komen in deze ruimte te werken, dicht bij elkaar in de buurt om interactie te stimuleren. Dat waren we sowieso al van plan, maar met Qutech willen we nog een stap verder gaan: met meerdere disciplines en met industriële partners. In plaats van deze twee verdiepingen, zal het dan om een hele vleugel gaan.’

kwantumkatten
Illustratie: Tremani/TU Delft

Behapstukken

De Delftse QT-groep werkt met vier verschillende fysische systemen om qubits te representeren: met kernspins in diamant (of liever gezegd: in stikstofatomen ingebouwd in een diamantrooster), met elektronenspins in kwantumdots, met zogenaamde Majorana-quasideeltjes in nanodraden en met elektrische stromen in supergeleidende circuits. DiCarlo leidt deze laatste activiteit.

Het staat niet op voorhand vast welke benadering het hart van Qutechs kwantumcomputer zal vormen. ‘Iedere onderzoeker hier heeft daar zo zijn eigen ideeën over’, lacht DiCarlo. ‘We hebben roadmaps voor elke implementatie, maar waarschijnlijk wordt de ene sneller volwassen dan andere. Dat wil niet zeggen dat er uiteindelijk maar een overblijft. Integendeel: voor een compleet portfolio van kwantumtechnologie zullen we zeer waarschijnlijk meerdere benaderingen gebruiken. Dan heb ik het behalve over de kwantumcomputer ook over kwantumcommunicatie.’

‘De benaderingen hebben gemeen dat ze in de vaste stof worden gerealiseerd. Dat geeft ons in Delft een edge, denken wij, omdat we kunnen aansluiten op de bestaande halfgeleidertechnologie en de schalingsmogelijkheden die zij biedt.’

Tot voor kort gingen de meeste qubits in de vaste stof te snel verloren om ook maar aan kwantumberekeningen te denken. De afgelopen twee, drie jaar zijn – tot verrassing van niet alleen DiCarlo – de zogenaamde decoherentietijden echter met ordegroottes toegenomen. Werden ze nog niet zo lang geleden gemeten in nanoseconden, tegenwoordig worden ze steeds vaker in microseconden genoteerd.

DiCarlo, bijvoorbeeld, kan tegenwoordig zonder al te veel moeite een qubit enkele tientallen tot ruim honderd microseconden in leven houden. Om te laten zien hoe dat zo is gekomen, pakt hij een doosje uit de kast en haalt er twee objecten uit. Het ene is een hol blokje aluminium dat uit twee losse helften bestaat. Een daarvan blijkt een semitransparant materiaal te herbergen met drie krasjes erin. ‘Daar zitten de qubits’, vertelt de onderzoeker. Het andere object ziet eruit als een klein rond printplaatje, iets groter dan een twee-euromunt.

‘Welke was er eerst, denk je?’, vraagt DiCarlo. Het bezoek speelt het spelletje mee en wijst het simpelste object aan: het holle blokje. ‘Ja, dat denkt iedereen. Toch was dat plaatje er eerst. Alleen lukte het maar niet om de decoherentietijden te verbeteren. Toen zijn mensen met dit blokje gaan werken, en dat leverde in korte tijd prachtige resultaten op. Niet alleen omdat we eindelijk een decoherentietijd hadden waar we echt wat mee konden, maar ook omdat we konden begrijpen wat we verkeerd deden op de chip: diëlektrica zijn lossy. In het blokje is de energie in feite in vacuüm opgeslagen.’

Nog altijd halen de onderzoekers op een chip (twintig microseconden) niet de decoherentietijd die in het aluminium blokje mogelijk is (150 microseconden), maar de orde van grootte is genoeg om een essentieel onderdeel van een kwantumcomputer te realiseren: feedback control. Hoe zit dat precies? Qubits blijven hoe dan ook grillige dingen, die voortdurend moeten worden gecheckt en, indien nodig, moeten worden hersteld in hun oorspronkelijke toestand. Hoe stabieler de qubits, hoe makkelijker deze feedback control is te implementeren en hoe minder redundantie hoeft te worden ingebouwd.

Voor feedback control is klassieke elektronica nodig. ‘De decoherentietijden zijn nu lang genoeg om dat behappen: microseconden zijn lang voor moderne processoren’, legt DiCarlo uit, ‘maar reken er maar op dat naast een kwantumcomputer van zeg honderden qubits straks een flinke computer staat.’ Alle reden dus om nieuwe wegen te blijven inslaan om de qubit te temmen. ‘We blijven zoeken naar een betere qubit. Dat maakt Qutech zo leuk: de combinatie van fundamenteel onderzoek en de meer praktische uitdaging om de groeiende complexiteit te behapstukken naarmate we meer qubits in de lucht proberen te houden.’

Realtime

Enkele weken voor het gesprek heeft DiCarlo een belangrijk paper over feedback control in Nature gepubliceerd. Daarin demonstreren hij en Delftse en Amerikaanse collega’s dat ze in staat zijn de twee noodzakelijke ingrediënten van feedback control uit te voeren aan twee qubits: pariteitsmetingen en foutcorrectie.

DiCarlo legt dat uit aan de hand van Schrödingers kat, het beroemde gedachte-experiment waarin een kat opgesloten zit in een doos met een gif dat vrijkomt afhankelijk van het gedrag van een kwantumdeeltje. Aangezien de kwantummechanica toestaat dat deeltjes tegelijkertijd tegenovergestelde eigenschappen aannemen, zolang er maar niemand naar kijkt, is de kat levend en dood tegelijk zolang niemand de doos openmaakt. Pas als dat gebeurt, moet de natuur een keuze maken voor het deeltje en wordt een van beide toestanden – volkomen willekeurig – realiteit.

In DiCarlo’s publicatie bevat de doos niet één maar twee katten, en de Delftse onderzoeker heeft een manier bedacht om te checken of hun lot hetzelfde is (pariteitsmeting). Vervolgens kan hij ook de situatie in de doos manipuleren (foutcorrectie). Als de toestand van beide katten bijvoorbeeld niet hetzelfde is, kan hij dat zo veranderen dat ze allebei dood of levend zijn. En dat zonder de doos open te maken.

De komende jaren gaat hij dit werk uitbouwen, vertelt DiCarlo. ‘Binnen vijf jaar willen we dit met zeventien qubits doen. Daarvoor moeten we acht checks uitvoeren, die realtime verwerken, een beslissing nemen of er iets mis is gegaan en eventueel repareren. En tussendoor wil je misschien ook nog wat kwantumberekeningen doen’, lacht de onderzoeker.