IBM-chip houdt 100 qubits in bedwang met duizenden foutcorrecties

Een kwantumcomputer rekent met qubits: deeltjes die, anders dan de simpele nullen en enen van een gewone computer, meerdere toestanden tegelijk kunnen aannemen. Dat maakt ze krachtig, maar ook extreem kwetsbaar. Kleine storingen uit de omgeving of onvolkomenheden in de hardware zorgen ervoor dat fouten zich tijdens een berekening opstapelen. Zonder ingrijpen worden de uitkomsten dan onbruikbaar. Een team van onder meer Rutgers University, IBM en instituten als Iowa State University en Penn State onderzocht nu hoe je dat kunt voorkomen, met resultaten die gepubliceerd zijn in Nature Physics.

Twee krachten die vechten om de chip

De onderzoekers gebruikten een IBM Quantum Heron-processor met 156 qubits en kozen daaruit een aaneengesloten keten van maximaal honderd qubits. Op die keten liet het team twee processen om en om plaatsvinden. Het eerste proces verspreidde bewust verwarring door naburige qubits met elkaar te laten interageren, waardoor informatie door het systeem 'scrambelt'. Het tweede proces deed het tegenovergestelde: het mat telkens individuele qubits en zette ze terug naar een vaste, voorspelbare toestand. In totaal voerde de chip bijna vijfduizend van dit soort meet-en-resetbeurten uit, naast een vergelijkbaar aantal rekenoperaties tussen qubits. Dit proces van meten en corrigeren tijdens het rekenen is de basis van kwantumfoutcorrectie, een onmisbaar onderdeel van toekomstige, betrouwbare kwantumcomputers.

Een scherpe knik tussen chaos en orde

Door de verhouding tussen scramblen en resetten te variëren, zagen de onderzoekers twee duidelijk verschillende gedragingen. Overheerste het scramblen, dan bleef het systeem chaotisch en onvoorspelbaar. Werd er vaker gemeten en gereset, dan gleed de chip juist naar een ordelijke, controleerbare toestand. Opvallend was dat de overgang tussen beide uitersten zich bijna plotseling voltrok, rond het punt waarop beide processen ongeveer even vaak voorkwamen. Natuurkundigen noemen zo'n abrupte collectieve verandering een faseovergang, vergelijkbaar met water dat in één keer bevriest tot ijs. Coauteur Justin Wilson, natuurkundige aan Louisiana State University, legt uit dat willekeurige ingrepen onvoorspelbaar gedrag kunnen smoren. Belangrijk is dat deze overgang ook echt bleek te bestaan in een kwantumsysteem, iets wat tot nu toe onzeker was. Hoe groter het onderzochte systeem, hoe scherper de overgang zichtbaar werd, wat erop wijst dat het effect niet beperkt is tot kleine proefopstellingen.

Stap richting een stabiele kwantumcomputer

Het experiment bewijst niet dat er nu al een volledig fouttolerante kwantumcomputer bestaat. Wel toont het aan dat huidige hardware duizenden keren achter elkaar kan meten, resetten en doorrekenen zonder de informatie te vernietigen. IBM-onderzoeker Maika Takita noemt dat een belangrijke stap richting praktische foutcorrectie op grote schaal. Het team testte bovendien systemen die te groot zijn om met gewone computers na te rekenen, wat het vertrouwen in de theoretische verklaring vergroot. Voor de ontwikkeling van kwantumcomputers die complexe problemen in scheikunde, materiaalkunde of logistiek kunnen oplossen, is dit soort gecontroleerde chaosbeheersing een cruciale bouwsteen.