IQM verstrengelt alle 54 qubits van zijn kwantumchip tegelijk

Kwantumcomputers worden vaak groter gemaakt, maar dat betekent niet dat ze ook beter werken. Veel chips hebben tientallen of honderden qubits, de rekeneenheden van een kwantumcomputer, maar in de praktijk gebruiken wetenschappers er maar 10 tot 20 tegelijk in een berekening. De rest van de chip blijft werkeloos, omdat fouten en ruis snel toenemen zodra meer qubits moeten samenwerken. IQM Quantum Computers laat nu zien dat het anders kan. Het bedrijf heeft alle 54 qubits van zijn cloud-systeem Emerald tegelijk in een verstrengelde toestand gebracht.

Wat is er precies gemeten?

Voor de proef gebruikte IQM een zogeheten GHZ-toestand, een standaardmanier om te testen hoe goed grote groepen qubits met elkaar verstrengeld kunnen raken. Verstrengeling is de kwantumeigenschap waarbij deeltjes zo met elkaar verbonden zijn dat de toestand van het ene deeltje direct iets zegt over het andere, ook al zitten ze niet naast elkaar. Hoe meer qubits tegelijk verstrengeld zijn, hoe krachtiger en betrouwbaarder een kwantumberekening in principe kan zijn. IQM meette een zogeheten fidelity, een maat voor hoe zuiver de gewenste toestand daadwerkelijk is bereikt, van 0,516 over de volledige chip. Dat ligt boven de grens van 0,500 die geldt als bewijs voor echte verstrengeling in plaats van ruis. Zonder correctie voor afleesfouten kwam het bedrijf bij 40 qubits al op een vergelijkbare score van 0,515.

Betere besturing in plaats van meer qubits

Opvallend is dat IQM dit resultaat niet bereikte door een nieuwe, grotere chip te bouwen, maar door de bestaande Emerald-processor slimmer aan te sturen. Het bedrijf paste de manier aan waarop de kwantumtoestand wordt opgebouwd: een geautomatiseerde routine kiest nu zelf de beste combinatie van zogeheten tweequbitpoorten, de schakelingen waarmee twee qubits logisch met elkaar verbonden worden, en bepaalt in welke volgorde die worden uitgevoerd. Daarbij wordt steeds afgewogen hoe nauwkeurig een poort werkt tegenover hoeveel tijd qubits inactief blijven wachten, want hoe langer een qubit stilligt, hoe groter de kans dat het zijn kwantumtoestand verliest. Volgens technisch directeur Craig Ciesla van IQM was vooral het slim plannen van die wachttijden doorslaggevend. Het resultaat volgt op ruim een jaar aan werk aan calibratie, verbeterde besturingstechnieken en foutonderdrukking, waaronder een methode genaamd dynamical decoupling. Samen zorgde dat voor een afname van foutpercentages met tot wel 50 procent.

Wat betekent dit voor cloudklanten

Voorheen konden gebruikers van Emerald in de praktijk zo'n 30 qubits betrouwbaar inzetten binnen één berekening. Nu de volledige chip aantoonbaar als één geheel kan functioneren, krijgen klanten die IQM's systeem via de cloud huren toegang tot die volledige 54 qubits. Dat vergroot de rekenruimte voor experimenten in bijvoorbeeld materiaalonderzoek, chemie en optimalisatieproblemen, al blijft de chip nog klein vergeleken met de duizenden tot miljoenen foutvrije qubits die nodig zijn voor de grote beloftes van kwantumcomputing. IQM presenteert het resultaat vooral als bewijs dat zijn besturingssoftware en automatisering, waaronder AI-gestuurde calibratie, de volledige chip betrouwbaar kunnen laten werken, in plaats van alleen een deel ervan.