Een nieuwe doorbraak in het corrigeren van fouten in quantumberekeningen, brengt de quantumcomputer – het rekenbeest van de toekomst – weer een stuk dichterbij.
Fysici verbonden aan QuTech van de TU Delft zijn er als eersten in geslaagd een deel van een quantumcomputer te beschermen tegen fouten in quantumberekeningen. Zij spoorden deze fouten op en herstelden ze vervolgens actief, zonder dat daarbij quantuminformatie verloren ging. Door bij herhaling dit soort quantumfoutcorrectie toe te passen, konden ze de gevoelige quantuminformatie langer bewaren dan zonder deze foutcorrectie. ‘Het is voor het eerst dat het gelukt is om fouten in quantumberekeningen zowel op te sporen als actief te corrigeren zonder dat de quantuminformatie verloren gaat’, zegt fysicus Julia Cramer, die eerste auteur is van het artikel dat vandaag (5 mei) in het vakblad Nature Communications verschijnt.
Al langer
Bij QuTech aan de TU Delft sleutelt men al langer aan de quantumcomputer. Dat ultieme rekenbeest moet in de toekomst bepaalde typen zeer zware berekeningen mogelijk maken, zoals het simuleren van het gehele weersysteem van de aarde of het simuleren van het effect van een medicijn op het menselijk lichaam. Om dat soort berekeningen te kunnen doen, gebruikt deze computer zogeheten qubits. Dat zijn informatiedragers die niet alleen ‘0’ of ‘1’ kunnen zijn, zoals het geval is bij de bits in de huidige generatie computers, maar ook ‘0’ en ‘1’ tegelijk.
Heino Falcke fotografeerde als eerste een zwart gat: ‘Nog mooier dan ik al die tijd had verwacht’
Heino Falcke, hoogleraar radioastronomie, maakte in 2019 de eerste foto van een zwart gat. Op dit moment doet hij onderzoek n ...
In de quantummechanica heet een dergelijke toestand een superpositie, een toestand waarbij een deeltje (of qubit) tegelijk twee eigenschappen heeft die elkaar klassiek volkomen lijken uit te sluiten, zoals het zijn van ‘0’ én ‘1’. Die superpositie zorgt er vervolgens voor dat berekeningen in een quantumcomputer als het ware parallel kunnen worden uitgevoerd, doordat de computer tegelijk verschillende uitkomsten kan verzamelen die je normaal één voor één zou moeten berekenen.
Naar z’n grootje
Tegelijkertijd zijn superposities ook de zwakke plek van de quantumcomputer. Wanneer je de quantuminformatie die in een superpositie gevangen zit, probeert te meten – zelfs als je er alleen maar naar kijkt – wordt die superpositie al verstoord. Hierdoor is het lastig te ontdekken of er fouten zijn ontstaan tijdens berekeningen. Wie een quantumberekening wil controleren op fouten, helpt door dit probleem immers direct de gehele berekening naar z’n grootje.
Helaas kun je simpelweg niet zonder foutcorrectie, wanneer je een quantumcomputer wilt bouwen. In gewone computers zijn fouten, en de verbetermethodes voor die fouten, aan de orde van de dag. En hetzelfde geldt voor quantumcomputers. Dat maakt goede quantumfoutencorrectie tot één van de belangrijkste uitdagingen voor de eerste generatie van deze nieuwe rekenbeesten.
Het idee voor quantumfoutcorrectie bestaat al langer en delen daarvan werden in andere labs die aan quantumcomputers werken, al toegepast. Bij de foutcorrectiemethode die de onderzoekers gebruikten, wordt quantuminformatie beschermd door deze eerst te coderen. Daarna worden fouten gedetecteerd via heel voorzichtige metingen die de kwetsbare quantuminformatie niet verstoren. Deze stap is niet nieuw – eerder lukte andere onderzoekers al iets soortgelijks.
Actieve correctie
‘Als je alleen een quantumgeheugen wilt bouwen, is het ook genoeg om alleen te weten dat de fouten er zijn’, zegt Cramer. In die gevallen kun je fouten achteraf verbeteren, op het moment dat een quantumtoestand wordt uitgelezen als klassieke informatie.
In een echte quantumcomputer, moet je echter ook actief quantuminformatie zelf kunnen corrigeren. Cramer en haar collega’s deden dat door deze quantuminformatie te verwerken in klassieke elektronica en daarna te corrigeren – allemaal terwijl het quantumsysteem zelf gecodeerd en beschermd blijft.
Julia Cramer legt in haar eigen woorden haar nieuwe ontdekking uit
Diamant
Om hundoel te bereiken, codeerden zij deze quantuminformatie in diamanten qubits, waarbij ze de spin van elektronen en kernen, quantummechanische versies van het klassieke hoekmoment, als informatiedragers gebruikten. Het voordeel is dat die kernspins de quantuminformatie relatief lang kunnen opslaan. Lang genoeg dat de toestanden bleven bestaan terwijl de snelle elektronica de foutcorrectie in de praktijk bracht.
Nu in Delft deze belangrijke stap is gezet, kijken fysici al uit naar de volgende zetten in de complexe puzzel van het bouwen van een quantumcomputer. ‘We kunnen nog niet alle fouten in een quantumsysteem met onze huidige methode corrigeren’, zegt Cramer. Hoewel een qubit een driedimensionaal ding is, kan de methode van Cramer fouten slechts oplossen in één richting. ‘Dat is wel de dominante richting waarin in ons systeem de meeste fouten optreden, maar er kunnen daarbuiten natuurlijk ook fouten ontstaan.’
Schaalvergroting
Wanneer de Delftse fysici ook dat soort problemen hebben opgelost, is hun foutcorrectiesysteem in theorie geschikt om uit te rollen naar een volledige quantumcomputer. Al zullen bij een dergelijke schaalvergroting ongetwijfeld nieuwe uitdagingen opduiken, denkt Cramer. Toch ziet zij het huidige resultaat als een belangrijke stap in de richting van een uiteindelijke quantumcomputer. ‘Dit is wel echt belangrijk’, zegt ze.
Overigens weet nog niemand precies hoe zo’n toekomstige quantumcomputer er dan uit gaat zien. ‘Wij denken er bijvoorbeeld aan via verstrengeling netwerken van qubits te koppelen’, zegt Cramer.
Delft is overigens niet de enige partij die naar een echte quantumcomputer toewerkt. Zo maakte elektronicagigant IBM, een van de concurrenten van het QuTech-lab, deze week bijvoorbeeld bekend dat de quantumcomputer waar zij aan werken – een bescheiden variant met slechts 5 quantumbits – nu ook via de cloud beschikbaar komt voor onderzoekers.
Het lijkt er dus op dat het lange wachten op een quantumcomputer die sterk genoeg is om onze klassieke computers naar de kroon te steken, binnenkort eindelijk beloond zal worden.
(Eerder sprak QuTech-directeur Leo Kouwenhoven op een New Scientist café ook over de belofte van de quantumcomputer. Bekijk zijn lezing hieronder:)
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Lees verder: