Siliconen qubits reizen door chip en checken elkaar op fouten

Kwantumcomputers rekenen met qubits: piepkleine bouwstenen die anders dan gewone bits niet alleen 0 of 1 kunnen zijn, maar ook een mengvorm daarvan. Het probleem is dat qubits extreem gevoelig zijn voor storing. Om betrouwbare berekeningen te doen, moeten fouten voortdurend worden opgespoord en gecorrigeerd. Een internationaal onderzoeksteam laat in Nature zien hoe dat kan met een nieuwe chipopzet in silicium, waarbij qubits niet vastzitten maar actief worden rondgereden.

Qubits die verhuizen in plaats van vaststaan

In de meeste siliciumchips met qubits zitten de bouwstenen dicht opeengepakt. Dat maakt het lastig om losse qubits met elkaar te laten communiceren zonder dat ze elkaar per ongeluk beïnvloeden. De onderzoekers kozen voor een andere aanpak: een 'shuttlebus' op de chip die de spin van een elektron - de magnetische eigenschap die als qubit dient - fysiek verplaatst naar vier verschillende plekken, de zogeheten bus stops. Op elke stop kan de reizende qubit een lokale qubit ontmoeten en ermee interacteren. Zo ontstaat een netwerk van vijf qubits: één vaste uitleesqubit, één rondreizende hulpqubit en vier qubits waarmee die hulpqubit om de beurt communiceert.

Vier controles tegelijk, zonder dichte bebouwing

De kern van het experiment is wat natuurkundigen een 'weight-four pariteitscontrole' noemen: één hulpqubit die tegelijk de status van vier andere qubits aftast, zonder hun kwantuminformatie te vernietigen. Dat is precies het bouwblok dat nodig is voor de zogeheten oppervlaktecode, een van de meest gebruikte foutcorrectiemethodes in kwantumcomputing. Normaal vereist dit soort controles dat qubits dicht bij elkaar liggen én dat er uitleeselektronica vlakbij zit, wat ruimte en bekabeling kost. Door de spin te verplaatsen in plaats van de qubits vast te bouwen, hoefde het team maar op één plek op de chip elektrische lading af te lezen. De rest van de chip werkte zonder directe ladingsdetectie, wat kalibratie en foutgevoeligheid vereenvoudigt.

Vijf qubits in één verstrengelde toestand

Met de pariteitscontroles wisten de onderzoekers alle mogelijke qubitparen en -combinaties in het netwerk met elkaar te verstrengelen. Dat leverde een zogeheten GHZ-toestand op van vijf qubits: een kwantumtoestand waarin alle vijf de deeltjes onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Volgens de onderzoekers is dit een van de grootste dergelijke toestanden die ooit is gemaakt met dit type op silicium gebaseerde qubits. Het resultaat toont aan dat spin-shuttling niet alleen een manier is om qubits te verplaatsen, maar ook een praktisch gereedschap om ze te kalibreren en te schakelen zonder dat elke qubit zijn eigen uitleeselektronica nodig heeft.

De methode is nog een labdemonstratie met vijf qubits, ver verwijderd van de duizenden tot miljoenen logische qubits die een bruikbare kwantumcomputer nodig heeft. Toch is het een concrete aanwijzing dat schaarser bezette, mobiele qubit-architecturen een haalbaar alternatief zijn voor de dichtbevolkte chips die nu domineren in het onderzoek naar kwantumfoutcorrectie.