Yale leidt centrum van 37,5 miljoen dollar voor kwantumfoutcorrectie

Kwantumcomputers kunnen in theorie berekeningen uitvoeren die voor gewone computers onmogelijk zijn, bijvoorbeeld bij het ontwerpen van nieuwe medicijnen of materialen. Het probleem is dat de bouwstenen van deze machines, qubits, extreem gevoelig zijn voor storing. Waar een gewone computerchip probleemloos nullen en enen onthoudt, verliezen qubits hun informatie al bij de kleinste trilling, temperatuurschommeling of elektromagnetische ruis. Zonder een manier om die fouten razendsnel te herkennen en te herstellen, blijven kwantumcomputers onbetrouwbaar.

Acht jaar onderzoek naar een hardnekkig probleem

Om dat op te lossen heeft de NSF acht grote onderzoekscentra opgezet, de zogeheten Quantum Leap Challenge Institutes. Een daarvan, met de naam NSF PRACTIQAL, komt onder leiding van Yale University. Het centrum brengt natuurkundigen, elektrotechnici, informatici en chemici van meerdere universiteiten samen om kwantumfoutcorrectie praktischer en efficiënter te maken. Directeur Robert Schoelkopf, hoogleraar toegepaste natuurkunde aan Yale, noemt foutcorrectie "de belangrijkste wetenschappelijke en technische uitdaging" om kwantumcomputers bruikbaar te maken. Volgens hem is de kracht van het project dat niet alleen natuurkundigen meedoen, maar ook ingenieurs en informatici die begrijpen welke fouten in de hardware optreden en daar de rekencodes op kunnen afstemmen.

Qubits die zelf hun fouten verklappen

Een belangrijk onderdeel van het onderzoek draait om zogeheten erasure qubits. Dit zijn speciaal ontworpen qubits die niet alleen een fout maken, maar ook meteen aangeven wanneer en waar dat gebeurt. Die extra informatie maakt het makkelijker om fouten te herstellen voordat ze zich opstapelen. Co-directeur Michael Hatridge, verbonden aan de University of Pittsburgh, wijst op een ander terugkerend probleem in het vakgebied: onderzoeksgroepen werken doorgaans aan één onderdeel van een kwantumcomputer, dat op zichzelf goed functioneert maar niet altijd samenwerkt met onderdelen uit andere laboratoria. PRACTIQAL wil hardware en software daarom vanaf het begin op elkaar afstemmen, zodat de hele machine als één geheel efficiënter en minder foutgevoelig wordt.

Van laboratorium naar industriële schaal

Hatridge benadrukt dat de universitaire onderzoekers zelf geen grote kwantumcomputer gaan bouwen. Het doel is wel om aan te tonen welke aanpak werkt, zodat bedrijven die kennis kunnen opschalen. Daarom werkt het centrum samen met industriële partners en een extern adviesorgaan. Aan Yale zijn naast Schoelkopf en Hatridge onder anderen de informatici Yongshan Ding en Lin Zhong betrokken, de natuurkundigen Aleksander Kubica, Shruti Puri, Steven Girvin en Konrad Lehnert, en scheikundige Victor Batista. Aan het einde van het vijfjarige project hoopt het team een duidelijk stappenplan te hebben voor de bouw van grootschalige, fouttolerante kwantumcomputers op industriële schaal.