Kwantumbit kan zichzelf uitlezen via zijn eigen elektrische stroom

Een van de grootste problemen in de kwantumcomputer is het aflezen van een qubit, de kwantumversie van de bit. Een gewone bit kun je gewoon aflezen: hij blijft een 0 of een 1. Een qubit kan echter in een mix van 0 en 1 tegelijk verkeren, een zogeheten superpositie. Het probleem is dat zodra je direct meet, die superpositie instort. De meting vernietigt dus precies de informatie die je wilde weten.

Een stroompje als verklikker

Een internationaal team onder leiding van José Carlos Egues van de Universiteit van São Paulo in Brazilië en Yugui Yao van het Beijing Institute of Technology in China onderzocht een oplossing voor een specifiek type qubit: de Andreev-qubit. Deze qubit is genoemd naar de Russische natuurkundige Alexander Andreev, die in 1964 een kwantumeffect beschreef op het grensvlak tussen gewoon materiaal en supergeleidend materiaal. In het onderzochte systeem ontstaat dit effect in een piepklein stukje indium-arseen, ingeklemd tussen twee supergeleiders.

Het bijzondere: deze qubit wekt uit zichzelf een oscillerend stroompje op, een zogeheten supercurrent, dat zonder elektrische weerstand door het circuit loopt. Normaal gesproken is daarvoor een spanning nodig, maar bij de Andreev-qubit ontstaat de schommeling vanzelf, puur door de kwantumdynamica van de qubit zelf. Uit de berekeningen van het team blijkt dat deze stroom als een soort vingerafdruk fungeert: de sterkte en het ritme van de schommeling verraden exact in welke superpositie de qubit zich bevindt.

Geen hulp-qubits meer nodig

Tot nu toe gebruiken natuurkundigen voor niet-destructieve metingen vaak een omweg: ze koppelen de qubit aan een extra, hulp-qubit, een zogeheten ancilla, en meten die ancilla in plaats van de qubit zelf. Dat werkt, maar kost tijd en extra apparatuur, zeker in machines met veel qubits. Het nieuwe voorstel maakt dat overbodig. In plaats van een ancilla gebruiken de onderzoekers een SQUID, een extreem gevoelige magneetveldsensor, die vanaf een kleine afstand het magneetveld van de stroom opvangt zonder de qubit zelf hard aan te raken.

Omdat de koppeling tussen de SQUID en de qubit zwak is, verstoort de meting de qubit nauwelijks. In computersimulaties kwam het team tot een reconstructienauwkeurigheid van de qubit-toestand tussen 99,52 en 99,85 procent. Een bijkomend voordeel: de qubit hoeft na de meting niet telkens gereset te worden, waardoor metingen sneller achter elkaar kunnen plaatsvinden.

Nog geen test in het echt

Belangrijk is dat dit vooralsnog theoretisch werk is, gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review B Letters en financieel gesteund door de Braziliaanse onderzoeksstichting FAPESP. Er is nog geen experimentele opstelling gebouwd die de voorspellingen bevestigt. Als het lukt, zou de methode wel een eenvoudiger en minder storende manier bieden om qubits uit te lezen, iets wat cruciaal is voor het betrouwbaar opschalen van kwantumcomputers.