Nederlands-Brits ontwerp belooft kwantumbit met 100 keer minder fouten

Kwantumcomputers staan bekend om hun enorme potentie, maar ook om hun kwetsbaarheid. De qubit, de kwantumversie van de bit in een gewone computer, is extreem gevoelig voor verstoringen uit de omgeving. Elektromagnetische ruis en kleine ladingsverschillen - te vergelijken met de statische elektriciteit die haar aan een ballon doet plakken - kunnen de opgeslagen informatie al verstoren. Naarmate kwantumcomputers meer qubits krijgen, wordt het steeds lastiger om al die foutjes onder controle te houden. Dat probleem remt de opschaling van de technologie af.

Een onderzoeksteam van de Quantum Sciences Group aan de University of Surrey denkt een deel van die kwetsbaarheid te kunnen wegnemen. In het vakblad npj Quantum Information beschrijven de wetenschappers een nieuw qubit-ontwerp gebaseerd op superfluïditeit: een bijzondere kwantumtoestand van vloeistoffen waarbij deze volledig wrijvingsloos stromen. Het team gebruikt specifiek superfluïde helium-3, een zeldzame vorm van vloeibaar helium. Omdat deze vloeistof elektrisch neutraal is, zou ze van nature veel minder gevoelig zijn voor elektromagnetische storingen dan de supergeleidende circuits die nu de standaard vormen, zoals de veelgebruikte transmon-qubit.

Honderd keer minder fouten

De onderzoekers noemen hun ontwerp het Superfluid Helium Oscillator Quantum device, kortweg SHOQ. Volgens hun berekeningen zou dit apparaat ongeveer honderd keer minder foutgevoelig zijn dan bestaande supergeleidende qubits. Dat is volgens hoofdonderzoeker dr. Priya Sharma de eerste keer dat een qubit-ontwerp specifiek rond een superfluïde vloeistof is uitgewerkt. "De wiskunde vertelt ons dat het zou moeten werken," zegt Sharma. "We hebben bestaande kennis over superfluïde helium en kwantumtechnologie omgezet in een concreet ontwerp, compleet met de specificaties die nodig zijn om het daadwerkelijk te bouwen."

Aanvulling op bestaande techniek, geen vervanging

De onderzoekers zien de SHOQ-qubit niet als concurrent van de huidige supergeleidende kwantumchips, maar als mogelijke aanvulling. Co-auteur dr. Eran Ginossar wijst erop dat verschillende soorten qubits elk hun eigen sterke punten hebben. Een concrete toepassing zou kwantumgeheugen kunnen zijn: een systeem waarin de superfluïde qubit informatie vasthoudt, terwijl ander hardware de daadwerkelijke berekeningen uitvoert.

Belangrijke kanttekening: tot nu toe bestaat het werk vooral uit berekeningen en een theoretisch ontwerp. Het team werkt nu, met steun van een commercialiseringsbeurs, aan een eerste prototype. De benodigde extreem lage temperaturen zijn in eerder onderzoek met superfluïde helium-3 al gehaald, wat de kans op een succesvolle test vergroot. Het project is een samenwerking tussen Surrey en Northwestern University in de Verenigde Staten, waar natuurkundige Jens Koch eerder meewerkte aan de ontwikkeling van de transmon-qubit die nu in veel kwantumcomputers zit.