Nieuw qubit-ontwerp van superfluïde helium moet kwantumcomputers stabieler maken

Kwantumcomputers kunnen in theorie berekeningen uitvoeren die voor gewone computers onmogelijk zijn. Maar de bouwstenen van die machines, qubits, zijn extreem gevoelig voor storing. Vooral de populairste variant, gebaseerd op supergeleidende circuits, raakt snel in de war door elektromagnetische ruis en verdwaalde elektrische ladingen. Onderzoekers van de University of Surrey denken nu een oplossing te hebben gevonden: een qubit gemaakt van vloeibaar helium.

Rekenen met een frictieloze vloeistof

Het team, verbonden aan Surreys Quantum Sciences Group, publiceerde in het tijdschrift npj Quantum Information een ontwerp voor wat ze de Superfluid Helium Oscillator Quantum noemen, afgekort SHOQ. Het apparaat gebruikt superfluïde helium-3, een bijzondere vorm van vloeibaar helium die bij extreem lage temperaturen zonder enige wrijving stroomt. Omdat deze vloeistof elektrisch neutraal is, zou hij van nature ongevoelig zijn voor een deel van de elektromagnetische storingen die supergeleidende qubits teisteren.

Volgens de berekeningen van de onderzoeksgroep zou een SHOQ-qubit ongeveer honderd keer minder fouten maken dan de supergeleidende qubits die nu in de meeste kwantumcomputers zitten, zoals de transmon. Die laatste werd mede ontwikkeld door natuurkundige Jens Koch van Northwestern University in de Verenigde Staten, die ook aan het nieuwe onderzoek meewerkte.

Nog geen werkend prototype

Belangrijk is dat het voorlopig om een theoretisch ontwerp gaat. "We zijn niet de eersten die nadenken over de losse onderdelen achter dit idee, maar we hebben ze voor het eerst samengebracht in een microfluïdisch apparaat en uitgewerkt hoe het als qubit zou kunnen functioneren", zegt onderzoeker Priya Sharma. "De wiskunde zegt dat het zou moeten werken. De volgende stap is een prototype bouwen om die voorspelling te testen."

Dat prototype moet werken bij temperaturen van een fractie boven het absolute nulpunt, vergelijkbaar met de kou die nodig is voor bestaande supergeleidende chips. Die extreem lage temperaturen zijn al eerder gehaald in experimenten met superfluïde helium-3, wat de onderzoekers vertrouwen geeft dat een werkend exemplaar haalbaar is.

Aanvulling in plaats van vervanging

De onderzoekers zien de superfluïde qubit niet als vervanger van bestaande kwantumtechnologie, maar als aanvulling. Het ontwerp zou gekoppeld kunnen worden aan supergeleidende systemen die nu al in kwantumcomputers zitten. Op langere termijn denken de onderzoekers ook aan een rol als kwantumgeheugen: een module die informatie bewaart terwijl andere hardware de eigenlijke rekenklussen uitvoert.

"We hebben niet per se één type qubit nodig dat alles kan", zegt onderzoeker Eran Ginossar. "Door verschillende kwantumtechnologieën te combineren, kunnen we de sterke punten van elk benutten. Als de voorspelde prestaties experimenteel bevestigd worden, zou superfluïde helium ooit naast bestaande supergeleidende systemen kunnen werken binnen een groter kwantumsysteem." Fouten door decoherentie vormen al jaren een van de grootste obstakels bij het opschalen van kwantumcomputers naar duizenden of miljoenen bruikbare rekeneenheden.