Amerikaanse natuurkundigen maken kwantumbits stabieler met 'oplopende' velden

Kwantumcomputers beloven berekeningen uit te voeren die voor gewone computers onhaalbaar zijn. Een van de grootste obstakels is dat de bouwstenen van zo'n machine, qubits, extreem gevoelig zijn voor verstoringen. Een team van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en de Ion Storage Group van het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder heeft nu een robuustere manier gevonden om twee qubits met elkaar te verbinden. De resultaten zijn gepubliceerd in Physical Review Letters.

Trillende deeltjes als boodschapper

De onderzoekers werken met qubits die bestaan uit atomen die met een elektrisch veld op hun plek worden gehouden, een techniek die bekendstaat als een ionenval. Omdat de ionen dezelfde lading dragen, stoten ze elkaar af. Beweegt het ene ion, dan voelt het andere dat direct. Die gedeelde beweging gebruiken natuurkundigen als een soort telefoonlijn tussen de twee qubits. Met radiogolven en microgolven duwen ze de ionen in een richting die afhangt van hun kwantumtoestand. Daardoor bouwen de ionen een zogeheten faseverschuiving op: een hoek die gekoppeld is aan de gecombineerde toestand van beide deeltjes. Is de timing precies goed, dan komt de beweging van de ionen weer tot stilstand, maar blijft die faseverschuiving bestaan. Op dat moment zijn de qubits verstrengeld, de eigenschap die kwantumcomputers hun kracht geeft.

Balanceren tussen snelheid en stabiliteit

De crux van het onderzoek zit in de zogeheten detuning: het verschil tussen de frequentie van het opgelegde veld en de natuurlijke trilfrequentie van de ionen. Duw je precies op de resonantiefrequentie, vergelijkbaar met iemand op een schommel op het juiste ritme aanduwen, dan gaat het proces snel. Maar net als een onrustig bewegend kind op die schommel, verstoort de eigen trilling van de ionen dan al snel de rekenstap. Duw je juist ver van de resonantie af, dan wordt het systeem veel ongevoeliger voor die verstoringen, maar duurt de bewerking ook veel langer.

Om beide voordelen te combineren, lieten de onderzoekers de frequentie en de sterkte van het veld geleidelijk oplopen: ver van de resonantie beginnen, er in het midden van de rekenstap dichtbij komen, en daarna weer wegtrekken. Dat combineert de robuustheid van een grote afstand tot resonantie met de snelheid die dichtbij resonantie mogelijk is. Onderzoeker Tyler Guglielmo van LLNL noemt dit een aanpak die 'zal doorsijpelen naar veel andere ionval-experimenten'.

Minder kalibratie, meer schaalbaarheid

Het grote voordeel is dat de methode qubits minder gevoelig maakt voor temperatuurschommelingen en meetonzuiverheden. Dat betekent minder noodzaak om apparatuur voortdurend opnieuw te kalibreren, wat cruciaal is als kwantumcomputers ooit uit duizenden in plaats van tientallen qubits moeten bestaan. Het team wil de techniek nu testen in een nieuwe ionenval met extra afscherming, om storingen nog verder te onderdrukken.