Japan zet eerste volledige kwantumcomputer op basis van losse atomen in gebruik

Onderzoekers van het Institute for Molecular Science (IMS) in het Japanse Okazaki hebben een nieuw type kwantumcomputer in gebruik genomen. De machine heet Shunkai en is de eerste in Japan die volledig zelfstandig werkt: van de software waarmee gebruikers een berekening invoeren tot de hardware die de daadwerkelijke rekenstap uitvoert. Het project valt onder het Japanse Moonshot-onderzoeksprogramma en staat onder leiding van hoogleraar Kenji Ohmori.

Shunkai gebruikt geen supergeleidende chips zoals veel bekendere kwantumcomputers van bedrijven als IBM en Google, maar losse atomen. Deze neutrale atomen fungeren als qubits, de rekeneenheden van een kwantumcomputer. Elk atoom wordt vastgehouden door een optische tweezer: een nauw gebundelde laserstraal die met licht een piepklein deeltje op zijn plek houdt, zonder dat er contact nodig is.

Waarom atomen als rekeneenheid

Deze aanpak heeft een aantal praktische voordelen ten opzichte van concurrerende technieken. Neutrale atomen hoeven niet gekoeld te worden tot temperaturen vlakbij het absolute nulpunt, wat bij supergeleidende qubits wel nodig is. Onderzoekers kunnen de atomen bovendien tijdens een berekening verplaatsen, waardoor ze willekeurige paren met elkaar kunnen laten verstrengelen. Die verstrengeling is de bron van de rekenkracht die kwantumcomputers in theorie sneller maakt dan gewone computers. Ook is de opstelling flexibel: voor elk algoritme kan de indeling van de atomen opnieuw worden ingesteld, en het aantal qubits is relatief eenvoudig op te schalen door meer atomen toe te voegen.

In de praktijk werkt Shunkai als volgt. Laserlicht en microgolven sturen de atomen aan tijdens de berekening. Het resultaat wordt uitgelezen door met een camera te kijken naar het licht dat de atomen uitzenden, fluorescentie genoemd. Voor de software werkte IMS samen met Hitachi, terwijl het Amerikaanse bedrijf Infleqtion de kwantumchip zelf leverde. Infleqtion is gespecialiseerd in neutrale-atoomtechnologie en levert ook apparatuur voor ruimtevaartprojecten van NASA.

Van vijftig naar tienduizend qubits

Shunkai draait in de beginfase met ongeveer vijftig qubits en moet binnen afzienbare tijd doorgroeien naar zo'n vijfhonderd. Het systeem wordt deels opengesteld voor externe onderzoekers, die er nieuwe toepassingen op kunnen testen en kunnen werken aan kwantumfoutcorrectie: technieken om de rekenfouten te herstellen die onvermijdelijk optreden in een kwantumsysteem. Ook is er een samenwerking met het bedrijf Yaqumo, waar Ohmori als adviseur bij betrokken is, gericht op praktische toepassingen van de technologie.

De naam Shunkai verwijst naar Harumi Shibukawa, een astronoom uit de Edo-periode die de eerste Japanse kalender op basis van eigen berekeningen ontwikkelde. Zijn voornaam kan ook worden uitgesproken als 'Shunkai'. Onderzoekers noemen de link met de precisie van astronomische berekeningen toepasselijk voor een machine die draait om nauwkeurige kwantumberekeningen.

Het project loopt door tot maart 2031. Tegen die tijd moet Shunkai zijn uitgegroeid tot een systeem met tienduizend fysieke qubits, inclusief werkende foutdetectie en -correctie, en beschikbaar zijn voor gebruikers van buiten het instituut. IMS wil de machine daarnaast koppelen aan zijn bestaande supercomputer, zodat kwantumberekeningen en klassieke rekenkracht in één hybride centrum samenkomen.