MacBook Pro rekent foutcorrectie door voor kwantumcomputer met 400+ qubits

Een kwantumcomputer die duizenden bewerkingen per seconde uitvoert, produceert een constante stroom aan foutmeldingen. Om die machine bruikbaar te maken, moet een los computersysteem die fouten razendsnel analyseren en corrigeren. Veel experts gingen ervan uit dat daarvoor gespecialiseerde chips nodig zijn. Onderzoekers van het Amerikaanse kwantumbedrijf IonQ laten in een nieuwe studie zien dat een consumentenlaptop die klus ook aankan, althans in simulatie.

Foutcorrectie als bottleneck

In kwantumcomputers ontstaan voortdurend kleine storingen, ruis genoemd, die berekeningen kunnen verpesten. Om dat op te vangen, bundelen ontwerpers meerdere fysieke qubits tot één betrouwbaardere eenheid: de logische qubit. Metingen tijdens de berekening onthullen patronen die op fouten wijzen, zonder de kwetsbare kwantuminformatie zelf te verstoren. Een decoder — het klassieke computersysteem dat die metingen interpreteert — moet vervolgens exact bijhouden welke correcties nodig zijn. Blijft de decoder achter, dan ontstaat een wachtrij en moet de kwantumcomputer vertragen of zelfs pauzeren.

Het team, met onderzoekers Min Ye, Andrii Maksymov en Nicolas Delfosse, testte hun decoder op het niveau van wat de sector een 'MegaQuOp'-machine noemt: een fouttolerante kwantumcomputer die ongeveer een miljoen betrouwbare logische bewerkingen kan uitvoeren. Zo'n machine bestaat nog niet, dus simuleerden de onderzoekers de foutsignalen die de hardware zou opwekken tijdens drie representatieve rekentaken, waaronder een model van interagerende kwantumdeeltjes en een experiment met herhaalde metingen.

Twaalf kernen, tien keer minder geheugen

De simulatie draaide op een Apple M4 Max-chip in een MacBook Pro uit 2024, waarbij het team 12 van de 16 processorkernen gebruikte. Acht kernen hielden voortdurend fouten bij, vier kernen verwerkten tijdgevoelige metingen. Bij een foutkans van 0,01 procent per rekenstap — de langetermijndoelstelling voor de ionenval-technologie die IonQ gebruikt — kostte het decoderen minder dan 0,3 procent extra rekentijd. Bij een realistischer foutpercentage van 0,05 procent liep dat op tot maximaal 12 procent, nog altijd ruim binnen wat een werkende machine zou kunnen bijbenen.

Om dat voor elkaar te krijgen, herschreven de onderzoekers hoe de decoder foutmodellen bijwerkt: in plaats van steeds een nieuwe wiskundige structuur op te bouwen, past het systeem alleen de kansen aan terwijl de berekening vordert. Ook verkleinden ze het geheugengebruik met meer dan een factor tien, waardoor twaalf decodeerprocessen tegelijk konden draaien zonder het geheugen van de laptop te overbelasten.

Nog geen echte kwantummachine

De grootste testconfiguratie omvatte 11.680 fysieke qubits, verdeeld over 68 geheugenblokken en 20 zogeheten 'magic-state factories'. Die laatste leveren de hulpbronnen voor T-poorten, een bewerking die onmisbaar is voor algemene kwantumberekeningen maar relatief kostbaar om uit te voeren. Belangrijk: dit getal beschrijft het gesimuleerde ontwerp, niet een bestaande IonQ-machine. Toch is de uitkomst relevant, omdat het laat zien dat de klassieke rekenkracht voor foutcorrectie mogelijk goedkoper en toegankelijker is dan gedacht — een stap die nodig is voordat een fouttolerante kwantumcomputer daadwerkelijk gebouwd kan worden.