Cat-qubit: hoe Schrödingers kat kwantumcomputers foutbestendiger moet maken
Een cat-qubit is een bijzondere manier om informatie op te slaan in een kwantumcomputer, genoemd naar het beroemde gedachte-experiment van Schrödingers kat. In dat experiment zit een kat in een gesloten doos in een vreemde toestand: tegelijk levend én dood, totdat iemand kijkt. Een cat-qubit gebruikt precies zo'n "tegelijkertijd twee dingen"-toestand, maar dan van microgolfstraling in een metalen kastje, om een stukje kwantuminformatie vast te houden dat veel beter bestand is tegen één bepaald soort fout dan gewone qubits.
Stel je een kind voor dat op een schommel zit. Het kind kan naar links zwaaien of naar rechts. In de kwantumwereld kan een systeem echter in een superpositie van beide bewegingen tegelijk verkeren: links-zwaaien én rechts-zwaaien op hetzelfde moment. Deze twee uiterste, tegengestelde bewegingen vormen samen de "kat", en hoe verder de twee bewegingen uit elkaar liggen, hoe moeilijker het voor ruis wordt om de ene beweging per ongeluk in de andere te veranderen. Dat is het hele idee achter de cat-qubit: door de twee toestanden ver genoeg uit elkaar te trekken, wordt één bepaalde fout (een zogeheten bit-flip, waarbij een 0 onbedoeld een 1 wordt) extreem zeldzaam.
Wat is het precies?
Gewone qubits in de meest gebruikte kwantumcomputers (zogeheten transmon-qubits) zijn kleine supergeleidende schakelingen met twee energieniveaus: laag (0) en hoog (1), plus alle mengvormen daartussen. Zulke qubits zijn kwetsbaar voor twee soorten fouten: bit-flips (0 wordt 1 of omgekeerd) en phase-flips (de kwantumtoestand behoudt 0 en 1, maar de onderlinge "fase" tussen beide kantelt, wat net zo schadelijk is voor een berekening).
Een cat-qubit gebruikt in plaats van twee energieniveaus een kwantumoscillator: bijvoorbeeld microgolffotonen die ronddraaien in een driedimensionale metalen holte (een resonator), gekoppeld aan een supergeleidend circuit. In die oscillator worden twee zogeheten coherente toestanden gekozen als de "0" en de "1" — dit zijn de dichtst bij klassiek gedrag liggende kwantumtoestanden, te vergelijken met een slinger die netjes met een vaste amplitude heen en weer zwaait, maar dan in twee tegengestelde richtingen. De superpositie van deze twee toestanden is de "kattentoestand" (cat state) waar de qubit zijn naam aan dankt.
Het cruciale natuurkundige truukje is "twee-fotonverlies-stabilisatie": met een speciale koppeling aan een tweede, hulp-resonator wordt de oscillator voortdurend teruggeduwd naar precies deze twee toestanden. Fouten die de oscillator van de ene toestand naar de andere zouden duwen (bit-flips), moeten daardoor als het ware dwars door een energiebarrière heen, en die barrière wordt exponentieel hoger naarmate de kattentoestand groter wordt (meer fotonen bevat). Phase-flips worden juist iets waarschijnlijker bij grotere katten, maar dat is minder erg: phase-flips kunnen worden opgespoord en gecorrigeerd met een relatief eenvoudige foutencode, een zogeheten repetitiecode, waarbij je hetzelfde bit simpelweg meerdere keren naast elkaar opslaat en vergelijkt. Voor gewone qubits, waarbij beide foutsoorten even waarschijnlijk zijn, is zo'n simpele code niet genoeg; daar is de veel duurdere "surface code" nodig.
Wat wil men ermee bereiken?
Het achterliggende probleem van alle kwantumcomputers is foutcorrectie. Individuele qubits zijn broos en maken voortdurend fouten door ruis uit hun omgeving. Om daar iets nuttigs mee te rekenen, moet je veel fysieke qubits samen laten werken als één betrouwbare "logische" qubit, met foutcorrectiecodes die fouten detecteren en herstellen zonder de kwantuminformatie zelf te "bekijken" (wat de superpositie zou vernietigen).
Met standaardqubits en de surface code schatten onderzoekers dat er al gauw honderden tot duizenden fysieke qubits nodig zijn voor één betrouwbare logische qubit, en een nuttige kwantumcomputer heeft er vermoedelijk honderden logische qubits nodig. Dat loopt al snel op tot miljoenen fysieke qubits — een enorme technische en financiële opgave.
De belofte van cat-qubits is dat je, doordat bit-flips al door de hardware zelf grotendeels worden weggewerkt, alleen nog de veel eenvoudigere en goedkopere repetitiecode nodig hebt om de overgebleven phase-flips op te ruimen. Voorstanders schatten dat dit de benodigde hoeveelheid hardware per logische qubit met een factor tien tot honderd kan verminderen. Dat zou de weg naar een praktisch bruikbare, foutbestendige kwantumcomputer aanzienlijk verkorten. Het is nadrukkelijk een belofte op basis van theoretisch en klein-schalig experimenteel werk, nog geen bewezen resultaat op grote schaal.
Voorbeelden uit de praktijk
Het concept van dissipatief gestabiliseerde cat-qubits werd rond 2013-2014 theoretisch uitgewerkt door onder anderen Mazyar Mirrahimi (Inria) en Michel Devoret (destijds Yale University). In 2020 volgde een belangrijke experimentele doorbraak: onderzoekers van Yale en de École Normale Supérieure (ENS) in Parijs, onder wie Raphaël Lescanne en Théau Peronnin, publiceerden in Nature Physics een experiment waarin ze lieten zien dat bit-flip-tijden inderdaad exponentieel toenemen naarmate de kattentoestand groter wordt gemaakt.
Diezelfde Lescanne en Peronnin richtten in 2020 het Franse bedrijf Alice & Bob op, dat inmiddels geldt als de belangrijkste commerciële speler op het gebied van cat-qubits. Het bedrijf bouwt supergeleidende chips (onder de naam "Boson") die specifiek zijn ontworpen om cat-qubits te huisvesten, en publiceerde een routekaart waarin het stapsgewijs steeds langere bit-flip-tijden en uiteindelijk foutbestendige logische qubits wil demonstreren.
Ook Amazon Web Services (AWS) heeft een onderzoeksgroep, het AWS Center for Quantum Computing bij Caltech onder leiding van Oskar Painter, die in 2022 een architectuur publiceerde voor een foutbestendige kwantumcomputer op basis van cat-qubits gecombineerd met repetitiecodes.
In 2023 en 2024 verlegde Michel Devoret zijn zwaartepunt van Yale naar Google Quantum AI, waar hij als hoofdwetenschapper meewerkt aan supergeleidende kwantumhardware; zijn eerdere werk aan bosonische codes en cat-qubits speelt daarbij een rol, al richt Google zich publiekelijk vooral op de surface code. Deze verschuiving illustreert dat grote spelers de cat-qubit-aanpak serieus volgen, ook als het niet hun hoofdstrategie is.
Hoe ver is de techniek?
Cat-qubits bevinden zich nog duidelijk in de onderzoeks- en vroege-ontwikkelingsfase. De experimentele mijlpalen tot nu toe laten vooral zien dat het onderliggende natuurkundige principe klopt: bit-flip-tijden van individuele cat-qubits zijn in laboratoriumopstellingen gegroeid van milliseconden naar (in gunstige gevallen) seconden, een enorme verbetering. Wat nog niet op grote schaal is aangetoond, is een volledig werkende keten van veel cat-qubits die samen, via een repetitiecode, een écht foutbestendige logische qubit vormen die langer "leeft" dan de qubits waaruit hij is opgebouwd.
Belangrijke technische obstakels zijn onder meer: het betrouwbaar en snel uitvoeren van kwantumpoorten (rekenoperaties) tussen cat-qubits zonder de beschermende eigenschappen te verstoren, het opschalen naar chips met veel cat-qubits zonder dat onderlinge storingen ontstaan, en het in de praktijk realiseren van de voorspelde exponentiële onderdrukking van bit-flips bij grotere en dus complexere kattentoestanden. Ook de besturingselektronica en koeling (cat-qubit-chips werken, net als andere supergeleidende qubits, bij temperaturen rond het absolute nulpunt) blijven een uitdaging.
Alice & Bob heeft publiekelijk een tijdpad geschetst richting een machine met circa honderd logische qubits rond het einde van dit decennium, maar zulke roadmaps van bedrijven zijn ambities, geen garanties; vergelijkbare voorspellingen in de kwantumsector zijn in het verleden vaker naar achteren geschoven. Onafhankelijke, grootschalige demonstraties van foutbestendige cat-qubit-logica moeten nog volgen.
Wie werken eraan?
Frankrijk speelt een voortrekkersrol: naast Alice & Bob zijn ENS Paris en het onderzoeksinstituut Inria nauw betrokken bij het theoretische fundament van de technologie, mede binnen het Franse nationale kwantumplan. In de Verenigde Staten werkt het AWS Center for Quantum Computing (gehuisvest bij het California Institute of Technology, Caltech) aan een eigen cat-qubit-architectuur, en Yale University blijft een centrum van expertise op het gebied van bosonische kwantumcodes, het bredere wiskundige kader waar cat-qubits onder vallen. Google Quantum AI volgt de aanpak deels via de aanwerving van onderzoekers met cat-qubit-achtergrond, al ligt de nadruk van hun eigen programma op andere foutcorrectiemethoden.