Nieuwe kwantumchip meldt zelf wanneer er iets misgaat

Kwantumcomputers rekenen met qubits: piepkleine informatie-eenheden die extreem gevoelig zijn voor warmte, trillingen en elektrische storing. Die gevoeligheid zorgt voortdurend voor fouten. Om daarmee om te gaan, bouwen onderzoekers doorgaans grote hoeveelheden extra qubits in als vangnet. Dat maakt kwantumcomputers duur, log en lastig op te schalen. Een team van het Amerikaanse bedrijf D-Wave Quantum Inc. laat in het tijdschrift Nature nu een andere aanpak zien: een schakeling die fouten niet verstopt, maar actief meldt zodra ze gebeuren.

Een razendsnelle schakelaar tussen twee qubits

De kern van het onderzoek is een zogeheten controlled-Z-poort, kortweg CZ-poort: een schakeling die twee qubits met elkaar laat samenwerken, een proces dat verstrengeling heet. Deze poort doet dat in slechts 500 nanoseconden, oftewel 500 miljardste van een seconde. Elke qubit is hierbij verdeeld over twee piepkleine supergeleidende microgolfholtes. Om de qubits te laten communiceren, verplaatsen de onderzoekers kort een lichtdeeltje (foton) naar een verbindingsstuk in het midden, laten ze de interactie plaatsvinden en schuiven het foton daarna weer terug. Dat klinkt technisch, maar het komt erop neer dat de chip licht gebruikt als boodschapper tussen twee reken-eenheden.

Fouten die zichzelf verklappen

Het bijzondere zit in wat er gebeurt als er iets misgaat. Bij eerdere pogingen om dit type qubit te koppelen, ging het vermogen om fouten te herkennen vaak verloren zodra twee qubits gingen samenwerken. Fouten die normaal gesproken meteen zichtbaar waren, werden dan onopgemerkte, verborgen fouten: het systeem merkte tijdens de berekening zelf niet dat er iets fout ging. In dit nieuwe ontwerp blijft dat detectievermogen grotendeels intact. Zo'n opgemerkte fout heet in vakjargon een erasure of fotonverlies: de chip signaleert zelf dat een foton is kwijtgeraakt, in plaats van stilletjes een verkeerd antwoord te geven. Uit metingen bleek dat ongeveer 0,5 procent van alle bewerkingen zo'n gemeld fotonverlies opleverde. Verborgen fouten kwamen voor in minder dan 0,1 procent van de gevallen. De meest schadelijke fout, een zogeheten bit-flip waarbij een qubit per ongeluk van waarde 0 naar 1 (of andersom) omslaat, deed zich slechts eens per miljoen bewerkingen voor.

Waarom dit telt voor grotere systemen

De onderzoekers gebruikten voor hun test zogeheten dual-rail qubits, een type qubit dat is opgebouwd uit twee gekoppelde onderdelen en daardoor van nature geschikt is om fouten te signaleren. Computersimulaties laten zien dat deze aanpak, ondanks iets meer belasting op één van de twee qubits, grote voordelen oplevert zodra systemen groter worden. Omdat fouten zichtbaar blijven in plaats van te verdwijnen in de ruis, kunnen toekomstige kwantumcomputers foutcorrectie effectiever toepassen naarmate ze meer qubits bevatten. Dat scheelt potentieel veel van de extra hardware die nu nodig is voor foutbestendige systemen.