Google reduceert foutpercentage kwantumchip Willow met factor 40

Kwantumcomputers kunnen in theorie sommige berekeningen uitvoeren die voor gewone computers onmogelijk zijn, zoals het kraken van bepaalde versleutelingscodes. Het probleem is dat de bouwstenen van deze machines, qubits, extreem gevoelig zijn voor storing. Fouten sluipen er voortdurend in, en dat maakt het lastig om een kwantumcomputer daadwerkelijk aan het werk te zetten voor serieuze problemen.

Magische toestanden als bottleneck

Om fouten te onderdrukken, worden qubits gebundeld tot zogeheten logische qubits: groepen die samen betrouwbaarder rekenwerk kunnen doen dan een los qubit. Voor de meest waardevolle bewerkingen, de zogeheten non-Clifford-poorten (ook wel T-poorten genoemd), is daarnaast een speciale kwantumtoestand nodig: de 'magische toestand'. Zonder deze toestand lopen de meest geavanceerde kwantumalgoritmes vast op fouten. Het maken van magische toestanden kostte tot nu toe enorm veel qubits en rekentijd, en vormde daardoor een flessenhals voor de hele technologie.

In 2024 presenteerden onderzoekers van Google al een efficiëntere aanpak die ze 'magische-toestandkweek' noemden. In plaats van veel imperfecte qubits te combineren en te bewerken tot een magische toestand, laten ze de toestand als het ware groeien binnen een klein stukje chip. Berekeningen wezen uit dat deze methode mogelijk tien keer minder qubits nodig heeft dan gedacht. Nu heeft onderzoeker Emma Rosenfeld met collega's voor het eerst laten zien dat dit ook in de praktijk werkt, op Googles supergeleidende kwantumchip Willow. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science.

Veertig keer minder fouten

Het experiment liet de foutgevoeligheid van Willow veertig keer afnemen vergeleken met oudere technieken voor kwantumfoutcorrectie. Dat niveau was al eerder bereikt met kwantumcomputers die gebruikmaken van gevangen ionen in plaats van supergeleidende circuits, maar volgens Rosenfeld werkt de nieuwe methode op Willow sneller, waardoor de totale rekentijd van een kwantumcomputer korter kan uitvallen.

Natuurkundige Isaac Kim van de University of California in Davis noemt het een indrukwekkende demonstratie van een veelbelovend idee, dat fouttolerante kwantumcomputing flink goedkoper kan maken. Dominik Hangleiter van ETH Zürich spreekt van een mogelijke gamechanger voor het bouwen van middelgrote kwantumcomputers met honderden logische qubits. Toch is er nog een flinke kanttekening: in het experiment leverde slechts 8 procent van de berekeningen een magische toestand op die goed genoeg was om verder te gebruiken. Fysicus Zhenyu Cai van Imperial College London benadrukt dat Willow's foutpercentage nog verder omlaag moet voordat de chip echt bruikbare problemen kan oplossen. Rosenfeld verwacht dat dit percentage vanzelf stijgt naarmate de techniek en de hardware verder worden verfijnd. "Dit is de eerste demonstratie dat het concept werkt", zegt ze. "We zijn er nog niet."