Een piepkleine ‘quantumkoelkast’ kan ervoor zorgen dat de berekeningen van een quantumcomputer foutloos beginnen. Daar is geen nieuwe hardware voor nodig.
Een piepklein koelapparaatje kan defecte onderdelen van een quantumcomputer automatisch resetten. De natuurkundige makers van het ‘koelkastje’ publiceerden hun experimenten in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Physics.
Qubits en qutrits
Quantumcomputers zijn nog steeds niet praktisch voor gebruik omdat ze te veel fouten maken. Sterker nog, als qubits – de belangrijkste onderdelen van dit type computer – per ongeluk opwarmen, kunnen ze nog voordat een berekening begint al in een toestand terechtkomen waar niet mee te werken valt. Een manier om de qubits te ‘resetten’ naar hun juiste toestand is door ze af te koelen.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Natuurkundige Simone Gasparinetti van de Chalmers University of Technology in Zweden en zijn collega’s hebben deze taak voor het eerst laten uitvoeren door een autonome ‘quantumkoelkast’. Ze bouwden twee qubits en een zogeheten qutrit, dat complexere informatie kan opslaan dan een qubit, uit piepkleine supergeleidende circuits. De qutrit en één van de qubits vormden een koelkast voor de tweede qubit, die gebruikt kan worden voor berekeningen.
De onderzoekers ontwierpen de componenten zo dat wanneer de rekenqubit te veel energie had, wat fouten veroorzaakte, er automatisch warmte uit stroomde naar de twee andere elementen. Hierdoor daalde de temperatuur van de rekenqubit en werd deze gereset. Zo kon de qubit-en-qutrit-koelkast fouten corrigeren zonder hulp van buitenaf.
Warmterevolutie
Natuurkundige Aamir Ali, ook verbonden aan de Chalmers University of Technology, zegt dat deze aanpak om de qubit te resetten minder nieuwe hardware vereist dan gebruikelijke methoden – en betere resultaten oplevert. De begintoestand van de qubit was dankzij de koelkast 99,97 procent van de tijd correct. Bij andere resetmethoden lukt dit meestal maar 99,8 procent van de tijd, zegt Ali.
Dit is een goed voorbeeld van hoe thermodynamische machines – die werken met warmte, energie en temperatuur – van pas kunnen komen in de quantumwereld, zegt natuurkundige Nicole Yunger Halpern van het National Institute of Standards and Technology in de Verenigde Staten, die aan het project werkte.
Gewone thermodynamische machines, zoals de warmtemotor, hebben een hele industriële revolutie ontketend. Maar quantumthermodynamica is tot nu toe niet erg praktisch geweest. ‘Ik ben geïnteresseerd in het nuttig maken van quantumthermodynamica. Deze nuttige quantumkoelkast is ons eerste voorbeeld’, zegt Yunger Halpern.
Meerdere mogelijkheden
‘Het is dat deze machine geïmplementeerd en nuttig is. Het feit dat hij autonoom is, en dus geen externe besturing nodig heeft, zou hem efficiënt en veelzijdig moeten maken’, zegt natuurkundige Nicolas Brunner van de Universiteit van Genève in Zwitserland.
Natuurkundige Michał Horodecki van de Universiteit van Gdańsk in Polen zegt dat een van de urgentste problemen voor quantumcomputers is om ervoor te zorgen dat ze niet oververhit raken en daardoor fouten maken. Het nieuwe experiment opent de deur naar soortgelijke projecten die wel zijn voorgesteld, maar nog nooit zijn getest. Denk hierbij aan het gebruik van qubits om autonome quantummotoren te bouwen, zegt hij.
De onderzoekers zijn al aan het kijken of ze op hun experiment kunnen voortbouwen. Ze zouden bijvoorbeeld een autonome quantumklok kunnen maken. Ook een quantumcomputer met functies die automatisch worden aangestuurd door temperatuurverschillen ligt binnen de mogelijkheden.
