imec : 'Doorbraak in kwantumtechnologie, silicium-spin-qubits, geproduceerd op industriële schaal, halen recordnauwkeurigheid'

Onderzoekcentrum imec en Diraq, een pionier in kwantumcomputing, hebben aangetoond dat silicium kwantumdot-qubits, geproduceerd met industriële chiptechnologie, berekeningen kunnen uitvoeren met een recordnauwkeurigheid.

De resultaten, vandaag gepubliceerd in Nature, bevestigen het potentieel van imecs productieprocessen voor de ontwikkeling van siliciumgebaseerde kwantumcomputers. Ze openen de deur naar qubits die gemaakt worden met dezelfde technieken die vandaag gebruikt worden om computerchips te maken.

Kwantumcomputers verschillen van klassieke computers doordat ze werken met qubits in plaats van bits.

Waar iedere bit uit ofwel ‘1’ ofwel ‘0’ bestaat, kan een qubit een combinatie zijn van ‘0’ en ‘1’ tegelijkertijd (superpositie). Daardoor zou een kwantumcomputer, met veel aan elkaar gekoppelde qubits, bepaalde berekeningen veel sneller kunnen uitvoeren. Maar qubits zijn inherent instabiel en uiterst gevoelig voor ruis van buitenaf. Zodra ze hun toestand van superpositie verliezen, voeren ze de berekeningen niet meer correct uit.

De uitdaging bestaat er dus in om qubits lang genoeg te isoleren van externe invloeden, waardoor ze berekeningen uitvoeren die nauwkeurig genoeg zijn. In academische labo’s lukte dat af en toe, weliswaar met op maat gemaakte prototypes. Maar blijven die gunstige eigenschappen ook behouden als je de overstap maakt naar een industriële fabricagetechnologie? Die vraag bleef lang onbeantwoord - tot vandaag. 

Voor het eerst presteert een spin-qubit-apparaat dat met industriële productiemethoden is gemaakt even goed als de allerbeste prototypes uit het labo.

Onderzoekers van imec en Diraq rapporteren een systematische nauwkeurigheid van meer dan 99 procent bij een reeks operaties met één en twee qubits. Ook het voorbereiden en uitlezen van de qubits gebeurde bijna foutloos (met een betrouwbaarheid van meer dan 99.9 procent).

Die observatie maakt van silicium-spin-qubits een beloftevolle kandidaat om uit te groeien tot de bouwsteen van de toekomstige kwantumcomputer. Silicium qubits hebben het voordeel dat ze gebruik kunnen maken van de technologieën waarin de halfgeleiderindustrie al een halve eeuw heeft geïnvesteerd om steeds geavanceerdere chips te ontwikkelen.

De qubits uit deze studie worden gemaakt op basis van ‘kwatumdots’: door een elektron op te sluiten in een nanostructuur van het silicum kan je de spin-toestand van dat elektron gebruiken om kwantuminformatie op te slaan. Dankzij hun nanoschaal kunnen er in principe miljoenen kwantumdots op één chip worden geïntegreerd.

Miljoenen qubits zijn nodig om een kwantumcomputer te bouwen die nuttige toepassingen mogelijk maakt, zoals het ontwikkelen van nieuwe medicijnen of het simuleren van natuurkundige processen. Op dat punt zijn we nog lang niet, maar deze aanpak - die gebruik maakt van bestaande chipproductieprocessen - toont wel een veelbelovende weg daarnaartoe.

“Om op dat punt te geraken, heb je een commercieel haalbare manier nodig om veel qubits met hoge betrouwbaarheid op grote schaal te produceren”, zegt Andrew Dzurak, oprichter en CEO van Diraq. “Onze samenwerking met imec maakt duidelijk dat siliciumgebaseerde kwantumcomputers kunnen worden gebouwd door gebruik te maken van de volwassen technieken van de halfgeleiderindustrie, en opent de deur naar chips met miljoenen qubits.”

“Voor het eerst evenaren silicium spin qubitapparaten die zijn gemaakt met industriële productietechnieken de prestaties van de beste prototypes uit het labo”, bevestigt Kristiaan De Greve, directeur kwantumcomputing bij imec. “Dit was enkel mogelijk dankzij imecs geoptimaliseerde processflow voor silicium kwantumdot-structuren, het gevolg van jarenlange ontwikkeling. Bovendien zien we nog ruimte voor verbetering: aangezien de fouten vooral voortkomen uit variaties in het siliciummateriaal, en niet door storingen uit de industriële omgeving, kunnen we de betrouwbaarheid verder opdrijven door de siliciumlaag aan te passen.”

Over imec

Als onafhankelijk onderzoekscentrum verbindt imec zich ertoe zijn expertise in te zetten om de feiten rond technologie en innovatie helder en objectief weer te geven, en zo de maatschappij te helpen ze te begrijpen en te plaatsen.

Met meer dan 6000 medewerkers van overal ter wereld, topwetenschappers en experten in verschillende onderzoeksdisciplines, een zeer geavanceerde R&D infrastructuur, en een uitgebreid partnernetwerk van wereldleiders uit de hightech-industrie, farma, ICT, ... Vlaamse en internationale bedrijven, start-ups, de academische wereld en kenniscentra, is imec ‘s werelds grootste onafhankelijke onderzoekscentrum in nano-elektronica en digitale technologie. Imecs onderzoek omvat geavanceerde halfgeleidertechnologie en siliciumfotonica, oplossingen voor slimme gezondheidzorg, duurzame energie, duurzame mobiliteit en slimme steden, artificiële intelligentie, 5G-communicatie en sensortechnologieën en nog veel meer.

Imec zet zijn expertise en industrieel netwerk ook in om duurzame maatschappelijke impact in Vlaanderen te creëren. Zo ondersteunt imec zowel kleinere organisaties die over beperkte R&D-middelen beschikken als grotere bedrijven in hun innovatieproces. Imec draagt als strategisch onderzoekscentrum en actieve speler in netwerkorganisaties en sectorfederaties bij aan het innovatienetwerk in Vlaanderen door de publieke sector, overheden en bedrijven in Vlaanderen samen te brengen, de uitwisseling van open data mogelijk te maken, en kennisuitwisseling te stimuleren.

Imec heeft zijn hoofdkantoor in Leuven Heverlee, onderzoeksgroepen verspreid over de Vlaamse universiteiten, in Nederland, het VK en de VS, en vertegenwoordiging in 3 continenten. In 2024 bedroegen de bedrijfsopbrengsten van imec 1,034 miljard euro.

www.imec.be



Imec is een geregistreerde merknaam voor de activiteiten van imec International en geaffilieerde entiteiten.

Over Diraq

Diraq is een wereldleider in het bouwen van kwantumprocessors met behulp van silicium ‘kwantumdot’-technologie, gebaseerd op gepatenteerde technologie die is ontwikkeld op basis van 20 jaar onderzoek. Diraq is een privébedrijf, opgericht in 2022 en gevestigd in Sydney, Australië, met vestigingen in Palo Alto, Californië, en Boston, Massachusetts. Diraq’s aanpak is gebaseerd op bestaande siliciumproductieprocessen, bekend als CMOS, die door foundries worden gebruikt om de huidige halfgeleidercomponenten te produceren. Door gebruik te maken van bestaande technologie voor grootschalige chipfabricage en halfgeleiderproductiecapaciteiten, wil Diraq de transformatie naar kwantumcomputing versnellen.

Diraq’s platformarchitectuur is speciaal ontworpen om de aanzienlijke verwerkingsverbeteringen te realiseren die nodig zijn om kosten- en energiebarrières te verlagen, en om het volledige maatschappelijke en economische potentieel van kwantumcomputing te realiseren, waarmee een snellere en goedkopere weg naar de markt wordt uitgetekend. Diraq’s doel is om een revolutie in kwantumcomputing te ontketenen door het aantal qubits op een enkele chip op te voeren tot vele miljoenen, en uiteindelijk miljarden, die nodig zijn voor nuttige commerciële toepassingen.

Beelden imec