Als je het kwantumcomputernieuws lang genoeg volgt, kan het gaan lijken alsof elk kwantumsysteem dat kan schakelen tussen twee goed gescheiden energietoestanden als qubit kan worden gebruikt. Atomen, ionen, fotonen, elektronen en gefabriceerde apparaten hebben allemaal hun aanhangers. Een van de belangrijkste dingen die aanhangers aantrekt, is het vermogen van de tech om op te schalen. We hebben veel hoogwaardige qubits nodig om complexe berekeningen te kunnen doen, en het vermogen van welke technologie dan ook om ons daar te brengen, is onderwerp van debat.

Dus zelfs terwijl sommige technologieën al duizenden qubits kunnen ondersteunen, werken sommige concurrenten nog steeds aan een handvol qubits - de bedrijven erachter zijn ervan overtuigd dat ze het potentieel hebben om effectiever op te schalen.

Een van die technologieën betreft kwantumdots die een enkel elektron vasthouden. Hun voordeel is dat we ze kunnen fabriceren met dezelfde techniek die we gebruiken om traditionele processors te bouwen, een aanpak die bewezen schaalbaar is. Deze week verschenen er twee nieuwe artikelen die verschillende manieren beschrijven om kwantumdots te gebruiken, waarvan er één zo aantrekkelijk was dat IBM het bedrijf dat het ontwikkelde kocht. Apart daarvan heeft een ander bedrijf een processor uitgebracht die 100 individuele elektronen vasthoudt in diamantdefecten, een technologie waarvan niet duidelijk was dat ze kon opschalen.

Het eerste nieuws komt van een publicatie in Nature van een bedrijf genaamd HRL Laboratories, de afstammeling van het onderzoeksprogramma dat door Howard Hughes is opgestart. HRL gebruikt gefabriceerde kwantumdots, een aparte technologie van de dots die in beeldschermen worden gebruikt, hoewel het op sommige van dezelfde natuurkundige principes berust. Beide benaderingen gebruiken een structuur die elektronen opsluit in een gebied kleiner dan de golflengte van het elektron. In beeldschermen maakt dit controle mogelijk van de golflengte die het materiaal uitzendt.

Voor qubits zijn de vallen veel kleiner en dienen ze om een enkel elektron op zijn plaats te houden. Cruciaal is dat ze kunnen worden gefabriceerd; met de juiste bedrading kunnen elektromagnetische interacties een enkel elektron opsluiten in een klein stukje silicium. Eenmaal opgesloten kan de spin van het elektron, die omhoog, omlaag of een superpositie van beide kan zijn, als qubit worden gebruikt. Hoewel deze technologie gemakkelijk kan opschalen - we zijn erg goed in het op schaal aanbrengen van bedrading in silicium - zijn elektronenspins moeilijk stabiel te houden en worden ze meestal via microgolven aangestuurd, wat een apart regelsysteem vereist.

Maar 'meestal' betekent niet 'altijd', en HRL beschrijft een andere techniek. Het vereist drie afzonderlijke kwantumdots, elk met een elektron, waarbij de omringende elektronica regelt in hoeverre de spins van deze drie elektronen kunnen interageren. Dat is cruciaal omdat onder bepaalde omstandigheden geen twee elektronen dezelfde spin kunnen hebben. Dit verklaart waarom atomaire orbitalen zich op de manier vullen, waarbij elk energieniveau slechts een paar bevat, één spin-up, de andere spin-down. Door ze te laten interageren kunnen hun spins veranderen.

Om bewerkingen op dit soort qubit uit te voeren, hoef je alleen maar te regelen welke elektronen interageren en in welke mate. Dat wordt elektronisch geregeld, waardoor we microgolven volledig kunnen elimineren. Alles wordt via bedrading afgehandeld, waardoor er geen behoefte is aan veel microgolfkabels naar het koelsysteem dat de hardware nabij het absolute nulpunt houdt.

HRL besteedt een groot deel van het artikel aan het beschrijven van zijn regelsysteem, dat zich op een tussenliggend koelniveau bevindt en bestaat uit een traditionele processor die is geoptimaliseerd voor lage temperaturen en laag stroomverbruik, met een verbruik van minder dan 3,5 watt ondanks dat het op een 130 nm-proces is gefabriceerd. Instructies voor het bedienen van de qubits worden elders gecompileerd, vervolgens in de controller geladen, waarna deze autonoom werkt. Communicatie met de chip die de qubits bevat, verloopt via een supergeleidende lintkabel.

Het systeem dat HRL beschrijft had 18 qubits, en het bedrijf voerde er een eenvoudige foutcorrectiecode op uit, waarmee een logische foutmarge van minder dan 1 procent werd aangetoond. Dat is aanzienlijk lager dan wat met andere technologie is bereikt, maar het is een belangrijke validatie.