UTMESA+NieuwsSamenspel elektronica en fotonica voor nieuwe quantum bouwstenen

Samenspel elektronica en fotonica voor nieuwe quantum bouwstenen UT leidt Europees project ONCHIPS

Voor het bouwen van een quantumcomputer zou je eigenlijk elektronica en fotonica – technologie die werkt met licht – willen combineren op dezelfde chip. Dankzij siliciumtechnologie die we inmiddels goed kennen, zijn quantumcomponenten beter te beschermen tegen de buitenwereld en ook beter op te schalen. Helaas gaan licht en silicium niet zo goed samen. Tenzij je germanium aan het silicium toevoegt, in een volledig nieuwe kristalstructuur. Dan zijn elektronisch en fotonische quantumbits wél te combineren. Het nieuwe Europese project ONCHIPS, geleid door de Universiteit Twente, richt zich op deze nieuwe ontwikkeling.

Voorspellen wat de leidende technologie gaat worden van de quantumcomputer is een lastige: elke benadering om quantumbits te maken heeft eigen voor- en nadelen. Het ene is bijvoorbeeld groot, moet extreem worden afgekoeld en is erg gevoelig voor zijn omgeving. Het ander is juist wel robuust, maar moeilijk op te schalen naar honderden of duizenden qubits. Daarbij komt dat je eigenlijk zou willen profiteren van de industriële schaal van silicium productietechnologie (CMOS) van ‘gewone’ chips. In de nieuwe materiaalcombinatie silicium-germanium, komen verschillende voordelen samen. Het materiaal, dat een bijzondere zeshoekige kristalstructuur heeft, is door ‘Physics World’ uitgeroepen tot breakthrough of 2020. De uitvinders van het materiaal, van de TU Eindhoven, maken deel uit van het nieuwe ONCHIPS consortium.

Energieniveaus

De zeshoekige kristalstructuur van silicium-germanium maakt het wél mogelijk om silicium licht uit te laten zenden. Daarmee zijn fotonen te koppelen aan elektronen die hun quantumkwaliteiten danken aan hun ‘spin’, de richting waarin zij om hun as tollen. Dankzij die uitwisseling zijn bijvoorbeeld de superieure transporteigenschappen van fotonen te combineren met lokale quantumberekeningen in elektronica, en dat op een chip gebaseerd op CMOS. Een van de voorwaarden is wel dat de zeskantige kristalstructuur eenvoudiger is op te bouwen dan tot nu toe mogelijk. Dat het met louter silicium niet lukt, en samen met germanium wél, hangt samen met de directe bandgap die deze combinatie heeft. Een elektron kan direct oversteken van het ene naar het andere energieniveau waarbij licht vrijkomt. ‘Gewoon’ silicium heeft deze directe oversteekplaats niet: de energieniveaus liggen niet boven elkaar.

Elektronen bevinden zich in de energieniveaus waarin stroomgeleiding plaatsvindt, de geleidingsband, of in de zogenaamde valentieband. Daartussen zit een verboden gebied, de 'band gap'. Maar elektronen kunnen wél oversteken, en hierbij wordt licht uitgezonden, een foton. Mits het een directe bandgap is, zoals links op de figuur. In de rechter figuur, een indirecte bandgap, wordt dit al veel complexer.

Nieuwe materialen en bouwstenen

Hoewel het een aantrekkelijke ‘combinatie van werelden’ is, is het nog wel heel uitdagend om de nieuwe quantum bouwstenen te bouwen, aldus projectleider prof. Floris Zwanenburg: “Ieder voor zich zijn ze nog nooit eerder op deze manier gerealiseerd. De ambitie is dus niet alleen het groeiproces van de kristallen beter onder de knie te krijgen, maar ook de eerste spin qubits te maken in deze technologie, overgangsgebieden te maken tussen deze spin qubits en fotonen, en meer inzicht krijgen in nanostructuren gebaseerd op GeSi.” En dat met het ultieme doel voor ogen, elektronica en fotonica te integreren in één en hetzelfde siliciumsysteem. Zwanenburg leidt ONCHIPS vanuit het Center for Quantum Nanotechnology Twente (QUANT) dat deel uitmaakt van het MESA+ Instituut van de UT. 

Germanium 'revisited'

Dat germanium de sleutel kan zijn tot een nieuwe benadering van quantumsystemen, is ook historisch interessant. De eerste transistor in 1947, van Bardeen, Brattain en Shockley, was van germanium. Met de komst van de eerste chips, in de jaren zestig, is silicium de basis geworden die tot de huidige vérgaande miniaturisatie heeft geleid. Maar ook in andere geavanceerde materialen, zoals germaneen, komt germanium weer terug.    

Partners in het Europese programma zijn de TU Eindhoven, de TU München, Centre National de Recherche Scientifique (CNRS), de onderneming Single Quantum, de Universität Konstanz en Budapest University of Technology and Economics.  

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)
+31 53 489 4244 | +31 6 12185692
 w.r.vanderveen@utwente.nl
Gebouw: Spiegel Tuin