MIT-onderzoekers bouwen qubit die sneller rekent én minder fouten maakt

Een qubit is de bouwsteen van een kwantumcomputer, vergelijkbaar met een bit in een gewone computer. Maar qubits zijn extreem kwetsbaar: ze verliezen hun informatie al na een fractie van een seconde door een proces dat decoherentie heet. Hoe langer een qubit zijn toestand vasthoudt, de zogeheten coherentietijd, hoe meer berekeningen een kwantumcomputer kan uitvoeren voordat alles verloren gaat. Juist die kwetsbaarheid maakt het lastig om grote, betrouwbare kwantumcomputers te bouwen die praktische problemen kunnen oplossen.

Twee taken, één qubit

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) presenteren nu een ontwerp dat ze de 'arm-qubit' noemen. Normaal moet een qubit twee dingen tegelijk goed doen: informatie langdurig opslaan én snel communiceren met andere onderdelen van het systeem, zoals andere qubits of de elektronica die de uitkomst afleest. Die twee eisen bijten elkaar vaak. Het MIT-team knipte de qubit daarom in tweeën: een deel dat puur data vasthoudt, en een 'arm' die naar buiten reikt om te communiceren met de rest van het circuit. Voor het opslaggedeelte gebruikten de onderzoekers een bekend qubit-ontwerp met een lange levensduur. De arm is gebaseerd op een ander type qubit dat juist heel sterk kan koppelen aan andere onderdelen, zoals een resonator die de uitkomst van een berekening uitleest.

Sterke koppeling zonder ruis

De twee onderdelen zijn verbonden via een speciaal component dat de onderzoekers eerder zelf ontwikkelden: de quarton-koppelaar. Die maakt sterke nonlineaire koppeling mogelijk tussen het opslagdeel en de arm, een vorm van koppeling die nodig is om kwantumbewerkingen uit te voeren. Normaal zorgt zo'n koppeling voor ongewenste interferentie tussen de onderdelen van het systeem, wat erger wordt naarmate er meer qubits worden gekoppeld. Door de koppeling te concentreren in de arm, blijft die interferentie beperkt en kan de qubit sneller schakelen voordat decoherentie toeslaat. In computersimulaties presteerde de arm-qubit beter dan bestaande supergeleidende qubit-ontwerpen: hij combineerde lange coherentietijden met snellere bewerkingen en snellere uitlezing. Volgens Jeremy Kline, promovendus aan MIT en hoofdauteur van de studie, is het resultaat een ontwerp dat schaalbaar is en robuust tegen fabricagefouten, terwijl het toch de sterke nonlineaire koppeling via de quarton-koppelaar behoudt.

Nog geen werkende chip

Die combinatie is precies wat nodig is voor kwantumfoutcorrectie, de techniek waarmee fouten in een kwantumcomputer tijdens het rekenen worden opgespoord en hersteld. Zonder foutcorrectie lopen berekeningen na verloop van tijd vast door opgestapelde fouten. Het onderzoek, gepubliceerd in Physical Review Applied, is voorlopig nog theoretisch. Het team, onder leiding van senior onderzoeker Kevin O'Brien, hoogleraar elektrotechniek en informatica aan MIT, moet de arm-qubit nog daadwerkelijk fabriceren om te testen of de simulaties kloppen in de praktijk. "Het uiteindelijke doel is een foutbestendige kwantumcomputer te bouwen waarin je fouten kunt corrigeren zodra ze optreden, zodat je lange berekeningen kunt uitvoeren en daadwerkelijk nuttige dingen kunt doen met een kwantumcomputer", aldus O'Brien. Lukt de fabricage, dan kan het ontwerp volgens de onderzoekers een bouwsteen worden voor toekomstige kwantumcomputers die wél lang genoeg foutvrij kunnen rekenen om nuttige problemen op te lossen, iets waar huidige machines nog altijd op vastlopen.