Kwantumbedrijf Alice & Bob bedenkt 'liftcode' tegen fouten in kwantumchip

Kwantumcomputers zijn nog altijd extreem foutgevoelig. Een piepklein beetje ruis is al genoeg om een berekening te laten mislukken. Het Franse bedrijf Alice & Bob, gespecialiseerd in foutbestendige kwantumtechnologie, claimt nu een belangrijke stap te hebben gezet met een nieuwe vorm van kwantumfoutcorrectie: de Elevator Codes.

Onderzoekers Diego Ruiz en Peter Shanahan beschrijven de methode in een preprint op arXiv, getiteld 'Elevator Codes: Concatenation for resource-efficient quantum memory under biased noise'. Volgens hen kan de techniek het logische foutenpercentage van toekomstige kwantumchips tot tienduizend keer verlagen, tegen een meerkost van ongeveer drie keer zoveel qubits.

Twee soorten fouten

Alice & Bob werkt met zogeheten cat-qubits, een type qubit dat van nature al goed bestand is tegen één soort fout: de phase-flip. Voor de andere veelvoorkomende fout, de bit-flip, gebruikt het bedrijf al een tijd een 'repetitiecode': dezelfde informatie wordt over meerdere qubits herhaald, zodat fouten opvallen en gecorrigeerd kunnen worden. Die repetitiecode beschermt echter alleen passief tegen bit-flips, zonder actief in te grijpen.

De Elevator Codes voegen daar een actieve laag aan toe. Er komt één extra logische ancilla-qubit bij, die als een lift op en neer beweegt langs de repetitiecode. Onderweg controleert deze qubit voortdurend of er ergens een bit-flip is opgetreden, wordt hij gereset en opnieuw ingezet voor de volgende controle. Doordat één qubit steeds hergebruikt wordt, blijft de extra hardware die nodig is beperkt, terwijl de foutdetectie een stuk grondiger wordt.

Waarom dit ertoe doet

Foutcorrectie is de achilleshiel van kwantumcomputing. Om één betrouwbare logische qubit te bouwen, zijn nu vaak honderden tot duizenden fysieke qubits nodig, puur om foutjes te kunnen opsporen en herstellen. Die overhead maakt het lastig om kwantumcomputers op te schalen naar een formaat waarmee ze nuttige problemen kunnen oplossen, zoals het doorrekenen van complexe moleculen voor nieuwe medicijnen of materialen.

Volgens Ruiz is de verwachte foutreductie voldoende om dat soort molecuulsimulaties eerder haalbaar te maken dan gedacht. Belangrijk detail: de resultaten zijn nu vooral gebaseerd op klassieke computersimulaties van de nieuwe code, niet op metingen aan echte kwantumhardware. Het is dus nog niet bewezen dat de belofte in de praktijk standhoudt. Wel stelt Ruiz dat grotere versies van de code op echte kwantumchips mogelijk nog beter presteren dan wat nu op papier is berekend.

Alice & Bob bouwt zelf kwantumcomputers op basis van cat-qubits en positioneert zich als een van de bedrijven die op een praktische, kortere weg naar foutbestendige kwantumcomputers mikken. Een nieuwe, efficiëntere foutcorrectiecode past in die strategie: minder extra qubits nodig per stap vooruit in betrouwbaarheid, wat de weg naar bruikbare kwantumcomputers potentieel verkort.