Onderzoekers meten kwantumfouten voor het eerst in realtime

Een kwantumcomputer is zo goed als zijn zwakste onderdeel. Dat onderdeel is de qubit: de kwantumversie van een bit, opgebouwd uit extreem gevoelig materiaal. Piepkleine defecten in dat materiaal kunnen honderden keren per seconde van plek veranderen, waardoor een qubit ineens sneller zijn informatie verliest. Tot nu toe konden onderzoekers dat proces niet goed volgen: standaardmetingen duurden tot een minuut, veel te traag om die snelle schommelingen te betrappen.

Een controlesysteem dat meedenkt

Een team onder leiding van postdoc Fabrizio Berritta, verbonden aan het Niels Bohr Institute in Denemarken, ontwikkelde een meetsysteem dat binnen milliseconden een nieuwe inschatting maakt van hoe snel een qubit energie verliest. Dat gebeurt met een Field Programmable Gate Array (FPGA), een soort programmeerbare chip die razendsnel rekent zonder gegevens eerst naar een externe computer te hoeven sturen. Na elke meting past de FPGA direct een statistisch model (een zogeheten Bayesiaans model) aan, waardoor het systeem voortdurend bijleert over de actuele toestand van de qubit. Het resultaat: de meetsnelheid ligt honderd keer hoger dan bij eerdere methodes, en komt daarmee in de buurt van de snelheid waarmee de fluctuaties zelf optreden.

Voor de proef werkte het team samen met de Noorse technische universiteit NTNU, de Universiteit Leiden en Chalmers University of Technology in Zweden, waar de gebruikte supergeleidende chip is ontworpen en gebouwd. De FPGA-besturing kwam van het bedrijf Quantum Machines en is programmeerbaar in een taal die lijkt op Python, wat de techniek toegankelijker maakt voor natuurkundigen die niet gespecialiseerd zijn in chipontwerp.

Goede qubits kunnen razendsnel 'slecht' worden

De belangrijkste ontdekking zit niet alleen in de snellere meetmethode, maar in wat die meting onthulde. Volgens Morten Kjærgaard, hoogleraar aan het Niels Bohr Institute en betrokken bij het onderzoek, bepaalt niet de beste qubit in een chip de prestaties, maar de slechtste. Tot nu toe dachten onderzoekers dat een qubit in minuten tot uren van 'goed' naar 'slecht' kon veranderen. De nieuwe metingen laten zien dat dit in een fractie van een seconde kan gebeuren.

Dat verandert hoe fabrikanten en onderzoekers straks kwantumchips gaan testen en kalibreren. Met het nieuwe systeem kunnen ze in seconden tijd bepalen welke qubits op een chip slecht presteren, in plaats van daar uren of dagen metingen voor nodig te hebben. Toch blijft er nog veel onbekend: volgens Berritta kan het team een groot deel van de waargenomen schommelingen nog niet verklaren. Juist dat begrijpen wordt cruciaal geacht om kwantumprocessors op te schalen naar een bruikbare omvang.

Betekenis voor de toekomst van kwantumcomputers

Praktische, grootschalige kwantumcomputers bestaan nog niet. Vooruitgang komt vaak in kleine stapjes, met af en toe een grotere sprong. Deze realtime meettechniek is zo'n stap: ze geeft onderzoekers voor het eerst een instrument om de instabiliteit van qubits direct te volgen in plaats van achteraf te reconstrueren. Dat maakt gerichter onderhoud en kalibratie van kwantumchips mogelijk, wat weer nodig is om van experimentele opstellingen naar betrouwbare, grotere machines te groeien.