Atoomarray-kwantumcomputer: rekenen met wolken van gevangen atomen
Een atoomarray-kwantumcomputer is een type kwantumcomputer waarbij losse atomen, zwevend in een vacuümkamer, dienstdoen als qubits: de rekeneenheden van een kwantumcomputer. Met flinterdunne laserstralen worden deze atomen ieder op hun eigen plek vastgehouden, in een net zo strak rooster als eieren in een eierdoos. Door de atomen vervolgens met laserlicht aan te slaan en met elkaar te laten wisselwerken, kunnen onderzoekers ze laten samenwerken als een kwantumprocessor.
Vergelijk het met een schaakbord waarop je met een pincet stuk voor stuk speelstukken op willekeurige velden kunt neerzetten, zonder dat een stuk ooit per ongeluk verschuift. Bij een atoomarray gebeurt dat op de schaal van individuele atomen: onzichtbaar klein, in een vacuüm zo leeg als de ruimte tussen sterren, en gestuurd door licht in plaats van een hand. Deze aanpak is een van de veelbelovende routes naar bruikbare kwantumcomputers, naast concurrerende technieken zoals supergeleidende chips (gebruikt door Google en IBM) en ionenvallen.
Wat is het precies?
De basis van een atoomarray is een techniek die "optische pincetten" heet (optical tweezers). Dit zijn extreem scherp gefocusseerde laserstralen die, dankzij de manier waarop licht met atomen wisselwerkt, een klein aantrekkingsputje vormen. Een neutraal atoom — vaak rubidium, cesium of strontium, gekozen omdat hun energieniveaus goed te sturen zijn met laserlicht — kan in dat putje blijven hangen, min of meer stilgezet ondanks de bewegingsenergie die het van nature heeft.
Door tientallen tot honderden van zulke pincetten naast elkaar te projecteren, ontstaat een rooster van gevangen atomen: een array. Met een beweegbare spiegel of een speciale lichtmodulator kunnen onderzoekers atomen een voor een oppakken en verplaatsen, zodat ze een perfect regelmatig patroon vormen, in een lijn, een vlak rooster of zelfs driedimensionale vormen.
De informatie van een qubit wordt opgeslagen in de energietoestand van een atoom: simpel gezegd, of een elektron in de grondtoestand zit (het laagste energieniveau) of in een aangeslagen toestand. Door de eigenschappen van de kwantummechanica kan een atoom ook in een combinatie van beide toestanden tegelijk verkeren — een "superpositie" — wat kwantumcomputers in potentie extra rekenkracht geeft ten opzichte van klassieke computers.
Om twee qubits met elkaar te laten rekenen (een zogeheten twee-qubit-poort), gebruiken onderzoekers een truc genaamd Rydberg-blokkade. Als je een atoom met een laser naar een zogeheten Rydberg-toestand brengt — een energieniveau waarbij het buitenste elektron heel ver van de kern verwijderd raakt, zodat het atoom duizenden keren groter wordt dan normaal — gaat het een sterke wisselwerking aan met naburige atomen. Die wisselwerking zorgt ervoor dat een naburig atoom tijdelijk niet dezelfde aanslag kan ondergaan. Door dit effect slim te benutten, kunnen twee ver uit elkaar liggende atomen (soms micrometers uit elkaar, relatief gezien enorme afstanden op atomaire schaal) toch een kwantumlogische bewerking op elkaar uitvoeren, zonder dat ze elkaar fysiek hoeven te raken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel van kwantumcomputing in het algemeen is het oplossen van rekenproblemen die voor klassieke computers onhaalbaar zijn, zoals het simuleren van complexe moleculen voor medicijnontwikkeling, het optimaliseren van logistieke netwerken, of het doorbreken (en juist ook beveiligen) van bepaalde vormen van cryptografie.
Atoomarrays worden om een paar specifieke redenen aantrekkelijk gevonden. Ten eerste is schaalvergroting relatief eenvoudig: waar bij supergeleidende chips elke qubit een eigen bedrading en koeling tot bijna het absolute nulpunt vergt, kun je bij atoomarrays in principe "gewoon" meer laserpincetten toevoegen om meer qubits te krijgen. Ten tweede zijn neutrale atomen van nature identiek aan elkaar — elk rubidium-atoom gedraagt zich hetzelfde — wat fabricagefouten voorkomt die chipgebaseerde qubits wel kunnen hebben.
Een derde aantrekkelijke eigenschap is reconfigureerbaarheid: omdat atomen met licht worden bestuurd, kun je de indeling van het rooster tussen berekeningen door veranderen, atomen verplaatsen of vervangen, en zelfs meerdere qubit-bewerkingen parallel op verschillende delen van het rooster uitvoeren. Dat maakt deze systemen ook aantrekkelijk voor "kwantumsimulatie": het nabootsen van het gedrag van andere kwantumsystemen, zoals magnetische materialen, om daar meer over te leren.
Voorbeelden uit de praktijk
Verschillende groepen hebben de afgelopen jaren belangrijke stappen gezet. Het onderzoeksteam van natuurkundige Mikhail Lukin aan Harvard University, met collega's van MIT, publiceerde eind 2023 in het vaktijdschrift Nature een veelbesproken resultaat waarin ze met reconfigureerbare atoomarrays tientallen "logische qubits" demonstreerden — qubits die met foutcorrectie zijn opgebouwd uit meerdere fysieke atomen, om gevoeliger fouten te onderdrukken. Dit werk vormde mede de basis voor het bedrijf QuEra Computing, een spin-out van Harvard en MIT.
Het Franse bedrijf Pasqal, opgericht door onderzoekers van het Institut d'Optique bij Parijs, bouwt eveneens atoomarray-systemen en werkt samen met industriële partners aan toepassingen zoals optimalisatie- en simulatievraagstukken. Pasqal is een van de weinige Europese spelers die in dit veld internationaal meetelt.
Het Amerikaanse Atom Computing maakte in 2023 bekend een array met meer dan duizend atoomqubits te hebben gebouwd, destijds een van de grootste aantallen individueel gecontroleerde qubits ooit gerapporteerd, ongeacht het type kwantumtechnologie. Het bedrijf werkte daarna ook samen met Microsoft aan experimenten met foutonderdrukking op atoomarrays.
Aan het California Institute of Technology (Caltech) toonde de groep van natuurkundige Manuel Endres een manier om atomen tussentijds bij te vullen zonder de hele machine stil te leggen, een stap richting systemen die continu kunnen doorrekenen in plaats van telkens opnieuw te moeten worden "herladen" met verse atomen. Ook de groep van Mark Saffman aan de University of Wisconsin–Madison geldt als pionier op dit gebied, met werk dat teruggaat tot begin jaren 2000.
Hoe ver is de techniek?
Atoomarray-kwantumcomputers bevinden zich in een fase die vaak wordt aangeduid als "vroege NISQ-technologie" (Noisy Intermediate-Scale Quantum): er zijn werkende systemen met honderden tot ruim duizend qubits, maar deze qubits zijn nog foutgevoelig, en er is nog geen sluitend bewijs van een praktisch nuttige berekening die aantoonbaar sneller of beter gaat dan met een klassieke computer.
De belangrijkste vooruitgang van de laatste jaren zit in foutcorrectie: het combineren van meerdere fysieke qubits tot één stabielere "logische" qubit. Dit is nodig omdat individuele atomen gevoelig blijven voor storingen, zoals trillingen van de laser, verdwaald licht, of atomen die per ongeluk uit hun val ontsnappen. De resultaten van 2023 en daarna laten zien dat logische qubits op atoomarrays haalbaar zijn, maar het opschalen naar de honderden tot duizenden foutgecorrigeerde logische qubits die nodig zijn voor werkelijk nuttige toepassingen, is nog een meerjarig traject.
Belangrijke technische obstakels zijn onder meer: het uitlezen van een qubit zonder de rest van het rooster te verstoren, het snel genoeg herladen van verloren atomen, het onderdrukken van laser- en trillingsruis, en het betrouwbaar uitvoeren van duizenden opeenvolgende bewerkingen zonder dat fouten zich opstapelen. Verschillende bedrijven noemen doelen voor foutgecorrigeerde systemen ergens in de tweede helft van dit decennium, maar dergelijke tijdlijnen in de kwantumindustrie zijn in het verleden vaker naar achteren geschoven, dus deze planningen moeten met de nodige voorzichtigheid worden gelezen.
Wie werken eraan?
Naast de al genoemde partijen — QuEra Computing, Pasqal en Atom Computing — zijn academische groepen aan Harvard University, het Massachusetts Institute of Technology (MIT), Caltech en de University of Wisconsin–Madison in de Verenigde Staten toonaangevend, evenals het Institut d'Optique en aanverwante Franse onderzoeksinstellingen in Europa.
In de Verenigde Staten wordt onderzoek naar atoomarrays mede gefinancierd door defensiegerelateerde onderzoeksbureaus zoals DARPA, die met programma's voor "utility-scale" kwantumcomputing bedrijven als QuEra ondersteunen om sneller naar praktisch bruikbare systemen toe te werken. In Europa investeert de Europese Unie via kwantumtechnologie-programma's mee in bedrijven als Pasqal, en ook nationale Franse onderzoeksfinanciering speelt een rol. Daarnaast doen onderzoeksgroepen in China actief mee aan de wereldwijde competitie rond neutrale-atoomtechnologie, al is over de precieze stand van hun werk vaak minder in detail gepubliceerd dan over Amerikaans en Europees onderzoek.