Quantinuum verlaagt foutpercentage kwantumchip 12 keer bij elke stap

Kwantumcomputers zijn berucht gevoelig voor fouten. De bouwstenen van een kwantumchip, qubits, verliezen voortdurend hun informatie door storingen uit de omgeving. Om bruikbare berekeningen te doen, bundelen onderzoekers meerdere van die kwetsbare 'hardware-qubits' tot één stabielere eenheid: een logische qubit. Hoe meer hardware-qubits je aan zo'n logische qubit toevoegt, hoe beter fouten opgespoord en gecorrigeerd kunnen worden. Maar elke extra qubit is ook weer een nieuwe bron van fouten. Alleen als de basiskwaliteit van de hardware goed genoeg is, loont het om te vergroten. Dat omslagpunt heet het 'breakeven point'.

Verschillende bedrijven zijn al voorbij dat punt gekomen, maar de verbetering bleef vaak klein: bij elke uitbreiding daalde het foutpercentage met ongeveer een factor twee. Om kwantumcomputers geschikt te maken voor complexe, nuttige berekeningen zou dat tempo betekenen dat er duizenden extra qubits nodig zijn. Quantinuum, een Amerikaans bedrijf dat kwantumchips bouwt met gevangen ionen, meldt nu een veel grotere sprong: een factor twaalf per stap.

Ionen in een ring

Quantinuum's nieuwste chip heet Helios en werkt met trapped ions: elektrisch geladen atomen die met elektrische velden worden vastgehouden en verplaatst. De ionen cirkelen door een ringvormige structuur en worden op het juiste moment naar een van twee werkzones gestuurd, waar lasers metingen en bewerkingen uitvoeren. Omdat elk ionenpaar op die manier bij elkaar gebracht kan worden, kan de chip vrijwel elke foutcorrectiecode aan. Quantinuum gebruikte voor de proef een zogeheten kleurcode, een foutcorrectiemethode met een bepaalde geometrie van verbonden qubits.

De onderzoekers bouwden logische qubits met 13, 37 en 73 hardware-qubits, overeenkomend met een toenemende 'afstand' van drie, vijf en zeven. Die afstand geeft ruwweg aan hoeveel fouten een logische qubit tegelijk kan verdragen voordat de informatie verloren gaat. Bij afstand drie was het foutpercentage ongeveer 0,0005. Bij afstand vijf daalde dat naar 0,00004, en bij afstand zeven naar 0,000005. Bij een test met een rekenbewerking tussen twee logische qubits daalde het foutpercentage van 0,001 bij directe hardware naar 0,00007 bij afstand vijf.

Minder lekkage dankzij lasers

Een belangrijke verbetering zit in de aanpak van zogeheten lekkage-fouten. Dat gebeurt wanneer een qubit per ongeluk in een energietoestand terechtkomt die niet voor berekeningen gebruikt wordt. Quantinuum gebruikt nu laserlicht om afgedwaalde ionen actief terug te duwen naar de juiste toestand, wat dit soort fouten met een factor 6,5 vermindert. Daarnaast wisselt software qubits die toch lekken automatisch om met reservequbits. Om de foutpercentages bij deze lage niveaus nauwkeurig te meten, voerden de onderzoekers twintig rondes van foutcorrectie uit voordat ze de uitkomst aflazen, en gebruikten ze realtime analysesoftware, waaronder neurale netwerken, om de signalen uit de metingen te interpreteren.

Nog een lange weg

De resultaten laten zien dat Quantinuum's hardware ruim voorbij het breakeven point zit, ook bij het uitvoeren van rekenstappen in plaats van enkel het vasthouden van informatie. Toch is de weg naar praktisch bruikbare kwantumcomputers nog lang: voor echt complexe algoritmes zijn foutpercentages nodig die nog vele malen lager liggen. Een snellere schaalfactor zoals deze twaalf betekent wel dat daarvoor aanzienlijk minder extra hardware-qubits nodig zijn dan bij een factor twee.