Hoe vacuüm de toekomst van kwantumcomputing mogelijk maakt 28 september 2020

De qubits in kwantumcomputers kunnen de klassieke technieken drastisch overtreffen door toestanden van 1 en 0 te combineren, in plaats van de ene of de andere, waardoor berekeningen met ongelooflijke snelheden mogelijk zijn.

Ze doen dit door het vreemde gedrag van materie op atoomniveau te benutten – namelijk overlapping en verstrengeling. Het is niet verwonderlijk dat de gebruikte hardware extreem kwetsbaar is voor verstoringen, waardoor het een uitdaging is om nauwkeurige kwantumstaten voor te bereiden en te controleren. Sommige componenten moeten tot bijna absoluut nul worden gekoeld, terwijl andere in een ultrahoog vacuüm (UHV) moeten worden opgeslagen.

2020 was voor de meesten een zeer uitdagend jaar, maar er was een kleine zilveren lining voor een aantal kwantumonderzoekers die konden profiteren van de 'ghost-town'-status van universitaire laboratoria en dus de afwezigheid van geluid en trillingen – precies wat qubits nodig hebben om decoherentie (verlies van kwantumgedrag naar de omgeving) te vermijden. Elke interactie tussen de qubit en zijn omgeving kan hem uit de superpositie- of verstrengelingstoestand knallen. Daarom is het van cruciaal belang om een geschikte UHV te kunnen creëren en in stand houden. (lees wat je moet weten over werken onder HV en UHV om de veiligheid van je team en de efficiëntie van je proces te waarborgen.)

Superpositie is het vermogen van atomen of ionen om zich tegelijkertijd in meerdere toestanden te bevinden en verstrengeling is een unieke gedeelde verbinding tussen 2 qubits. Er zijn veel manieren om verstrikking te veroorzaken, waaronder het dicht bij elkaar brengen van twee deeltjes, het uitvoeren van een bewerking om ze in elkaar te verstrikken en ze weer uit elkaar te halen. Hoe ver ze ook uit elkaar liggen, ze zullen altijd hetzelfde resultaat opleveren. De bewerkingen kunnen worden uitgevoerd door de atomen of ionen te koelen tot bijna absoluut nul en ze te manipuleren met precisielasers in een UHV-kamer.

Het interne volume van dergelijke UHV-kamers kan slechts enkele kubieke centimeters bedragen, maar ongeacht de grootte bestaat de vacuümtechnologie om de nodige omstandigheden te bereiken. Ionensputterpompen, bijv. de TiTan-serie met 'klein profiel' van Gamma Vacuum, zijn een geaccepteerde methode om UHV-omstandigheden te produceren en te handhaven met pompsnelheden variërend van miniatuur 0,2 l/s tot 75 l/s. Met dergelijke pompen, en optioneel een titaniumsublimatiepomp (TSP) die wordt gebruikt in combinatie met boosterpompen, kan een vacuümniveau worden bereikt dat zeldzamer is dan buitenruimte.

Als het gaat om het opschalen van een oplossing, is het fenomeen van ionenvangers voor het opslaan van kwantuminformatie niet zo bewezen als het produceren van de qubits als onderdeel van een supergeleidend circuit, waarbij de supergeleiders niobium en aluminium doorgaans worden gebruikt als respectievelijk condensator en inductor. De productie van deze supergeleidende dunnefilmcircuits kan alleen worden bereikt door middel van vacuümtechnieken, zoals atoomlaagafzetting, gepulseerde laserafzetting en fysieke dampafzetting door magnetronsputtering of e-beamverdamping.

Supergeleidende apparaten hebben unieke eigenschappen omdat ze geleidend worden bij een bepaalde temperatuur. Verdunningskoelkasten zijn tegenwoordig een geaccepteerde methode om de extreem lage temperaturen in de orde van millikelvin te handhaven (nog kouder dan de buitenruimte). Dit is nog een ander proces, naast cryogeenvrije systemen, waarvoor vacuümpompen nodig zijn om het verdampte helium-3 te recyclen en samen te drukken voordat het opnieuw wordt verdund met helium-4, en om te zorgen voor interne en externe vacuümisolatie.

Een sputterionenpomp en TSP moeten worden gebruikt bij drukken onder ongeveer 5E ^-4 mbar (afhankelijk van het type element), omdat de elektrische energie die nodig is om de vele deeltjes bij hogere drukken te ioniseren te groot zou zijn voor de stroomvoorziening. Daarom is voldoende ruw pompen door voorvacuümpompen en turbomoleculaire pompen essentieel. 

De olievrije ECODRY plus meertraps stuwpomp van Leybold heeft een extreem laag trillings- en geluidsniveau, zonder dat er jarenlang onderhoud nodig is bij schone toepassingen. In combinatie met een trillingsarme turbomoleculaire pomp met magnetisch geleveerde lagers (en trillingsabsorberende balgen om de stabiliteit nog verder te verbeteren) is dit de perfecte set-up voor een schoon, trillingsvrij systeem en is het minder nodig om het UHV-systeem te isoleren van een afzonderlijk ruwsysteem.

Bij het vacuümniveau dat nodig is voor ionenvangers, is waterstof het belangrijkste restgas en speelt het de rol van schurk bij het handhaven van UHV, omdat het zich uit de interne delen van metalen componenten onthult. Daarom zijn lange uitbrandprocedures, soms zelfs weken, nodig om overtollige waterstof uit de binnenkant van de gebruikte componenten te verwijderen. Bij experimenten kan dit een echt pijnpunt zijn, vooral als het systeem herhaaldelijk open en dicht bij de atmosfeer wordt gehouden. Een manier om het afpompen naar UHV-omstandigheden te verbeteren en de effecten van de desorptiesnelheid te minimaliseren, is het introduceren van cryopompen met behulp van koude platen die een hogere adsorptiesnelheid hebben. Dit maakt sneller pompen naar UHV mogelijk en kan worden bereikt met Gifford-McMahon-koelkoppen met gesloten cyclus, bijvoorbeeld de COOLPOWER-serie van Leybold, die helium uitzetten en comprimeren om cryogene temperaturen te bereiken.

Helium speelt ook een nuttige rol bij het opsporen van lekken en hun locatie. Het controleren op heliumlekken in UHV-systemen is de meest geavanceerde methode voor het opsporen van lekken en is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat ze hun vacuümintegriteit gedurende hun hele levensduur behouden. Een opgesloten ion kan dus niet worden verstoord door iets anders dan de laser- of microgolfstraal. De PHOENIX-serie van Leybold is de meest innovatieve op het gebied van lekdetectietechnologie en voldoet met nauwkeurigheid en snelheid aan de toenemende kwaliteitseisen van kwantumonderzoek.

Leybold levert al tientallen jaren oplossingen op maat voor dunne-filmafzettingstechnieken via het UNIVEX-assortiment. Hoogzuivere supergeleidende materialen kunnen tot een nauwkeurige dikte worden gevormd, geschikt voor de circuits in kwantumcomputers. DC- of RF-magnetronsputterbronnen, e-straalpistool en/of ionondersteunde afzetting kunnen worden gespecificeerd, samen met substraatverwarming/-koeling en rotatie, en volledige systeemregeling.

Hebt u vragen over vacuüm, kwantumcomputing en uw unieke toepassingen? Klik op onderstaande knop en chat met het Leybold-team.