Circuitdiepte: waarom quantumcomputers niet te lang mogen 'nadenken'
Stel je een fluistertelefoonspel voor: een boodschap wordt van oor tot oor doorgegeven, en bij elke doorgifte sluipt er een klein foutje in. Na tien mensen is de boodschap nog wel te herkennen, maar na honderd mensen is er weinig meer van over. Iets vergelijkbaars speelt bij quantumcomputers, en de term daarvoor is circuitdiepte: het aantal opeenvolgende rekenstappen dat een quantumchip moet doorlopen om een berekening af te maken.
Hoe dieper een quantumcircuit — hoe meer stappen achter elkaar — hoe groter de kans dat er onderweg iets misgaat. Quantumbits (qubits) zijn extreem gevoelig voor verstoringen van buitenaf: trillingen, warmte, elektromagnetische ruis. Elke extra rekenstap is een nieuw moment waarop een fout kan insluipen. Circuitdiepte is daarom een van de belangrijkste maatstaven om te bepalen wat een quantumcomputer werkelijk kan: niet alleen hoeveel qubits een machine heeft, maar ook hoelang hij 'foutloos' kan doorrekenen voordat de ruis de uitkomst onbruikbaar maakt.
Wat is het precies?
Een quantumberekening wordt uitgevoerd als een quantumcircuit: een reeks bewerkingen, quantumpoorten genoemd, die op een of meerdere qubits worden losgelaten. Zo'n circuit wordt vaak getekend als een schema met horizontale lijnen (de qubits) waarover van links naar rechts poorten worden uitgevoerd, ongeveer zoals notenbalken in een muziekstuk.
De breedte van zo'n circuit is het aantal qubits dat wordt gebruikt. De diepte is iets anders: het is het aantal stappen dat na elkaar, in serie, moet worden uitgevoerd. Poorten die tegelijkertijd op verschillende qubits plaatsvinden, tellen als één laag. Alleen wanneer poorten van elkaar afhankelijk zijn en dus na elkaar moeten gebeuren, telt dat op bij de diepte. Een circuit met duizend qubits maar slechts vijf lagen is dus 'ondiep', terwijl een circuit met tien qubits en tweehonderd opeenvolgende lagen juist heel 'diep' is.
Dit onderscheid is belangrijk omdat qubits maar een beperkte tijd hun broze quantumtoestand vasthouden, de zogeheten coherentietijd. Bovendien heeft elke afzonderlijke poort een kleine kans om een fout te introduceren, de poortfout (gate error). Omdat die foutkansen zich vermenigvuldigen naarmate er meer stappen achter elkaar volgen, daalt de kans op een correct antwoord ruwweg exponentieel met de diepte van het circuit. Een chip met duizenden qubits maar een hoge foutkans per poort kan daardoor in de praktijk minder nuttige berekeningen uitvoeren dan een kleinere, schonere chip die wél veel lagen diep kan rekenen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel te formuleren, ook al is het technisch bijzonder lastig: onderzoekers willen quantumcomputers bouwen die circuits kunnen draaien die zowel breed als diep genoeg zijn om problemen op te lossen die voor gewone computers onhaalbaar zijn. Veel veelbelovende toepassingen — het simuleren van moleculen voor medicijnontwikkeling, het kraken of juist beveiligen van cryptografische sleutels, complexe optimalisatievraagstukken in logistiek — vereisen circuits met honderden tot duizenden opeenvolgende stappen, uitgevoerd met vrijwel foutloze poorten.
Circuitdiepte is daarmee een centrale flessenhals in het veld. Meer qubits toevoegen is relatief 'makkelijk' te vieren in persberichten, maar zonder voldoende diepte blijven die qubits beperkt tot korte, oppervlakkige berekeningen. Vandaar dat een groeiend deel van het onderzoek zich richt op het verlengen van de bruikbare diepte: betere materialen, nauwkeurigere besturingselektronica, en vooral quantumfoutcorrectie, een techniek waarbij de informatie van één betrouwbare 'logische' qubit wordt verspreid over veel fysieke qubits, zodat fouten onderweg kunnen worden opgespoord en gecorrigeerd zonder de quantumtoestand te vernietigen. Fout-getolereerde quantumcomputers zouden in theorie circuits van vrijwel onbeperkte diepte aankunnen.
Voorbeelden uit de praktijk
In 2019 claimde Google met zijn 53-qubit chip Sycamore voor het eerst 'quantumsupremacy': voor een specifieke, verder nutteloze taak — het bemonsteren van de uitkomst van een willekeurig circuit met een diepte van ongeveer twintig lagen — zou een supercomputer duizenden jaren nodig hebben, terwijl Sycamore er enkele minuten over deed. Critici wezen er later op dat verbeterde klassieke algoritmes die kloof flink kleiner konden maken, wat illustreert hoe lastig het is om 'quantumvoordeel' overtuigend aan te tonen.
IBM volgt sinds enkele jaren een eigen roadmap met steeds grotere chips: Eagle (127 qubits, 2021), Osprey (433 qubits, 2022) en Condor (1121 qubits, 2023). Vanaf de chip Heron (2023) verlegde IBM de focus nadrukkelijk van 'meer qubits' naar 'minder fouten per poort', juist om diepere, bruikbaardere circuits mogelijk te maken.
In december 2024 kondigde Google met zijn nieuwe chip Willow aan dat foutcorrectie voor het eerst overtuigend 'onder de drempel' presteerde: naarmate meer fysieke qubits werden ingezet om één logische qubit te beschermen, nam het foutpercentage exponentieel af in plaats van toe. Dat is een belangrijke voorwaarde om ooit circuits met een vrijwel onbeperkte effectieve diepte te kunnen draaien.
Bedrijven met ionval-technologie, zoals IonQ en Quantinuum, benadrukken juist hun hoge poortnauwkeurigheid. IonQ voerde de metriek algorithmic qubits in, die expliciet rekening houdt met hoe diep een circuit kan zijn voordat de uitkomst onbetrouwbaar wordt, terwijl Quantinuum met zijn H-serie herhaaldelijk records claimde op de zogeheten quantumvolume-schaal, een maat die breedte en diepte samen weegt.
Hoe ver is de techniek?
Het veld bevindt zich in wat onderzoekers de NISQ-fase noemen (Noisy Intermediate-Scale Quantum): machines met tientallen tot duizenden fysieke qubits, maar met circuits die doorgaans beperkt blijven tot enkele tientallen tot een paar honderd opeenvolgende lagen voordat ruis de overhand krijgt. Foutcorrectie, de sleutel tot veel diepere circuits, staat nog in een vroeg stadium: het coderen van één betrouwbare logische qubit kost momenteel nog tientallen tot honderden fysieke qubits, en dat aantal moet omlaag of het totale aantal qubits fors omhoog wil men praktisch bruikbare, fout-getolereerde machines bouwen.
De voortgang is gestaag maar niet spectaculair snel: poortfoutpercentages daalden de afgelopen jaren van rond de één procent naar ruim onder een tiende procent bij de beste systemen, wat direct meer bruikbare diepte oplevert. Grote obstakels blijven decoherentie, kruistalk tussen qubits, en de moeilijkheid om claims over 'quantumvoordeel' onafhankelijk te verifiëren, omdat verbeterde klassieke simulatiemethoden de lat steeds hoger leggen. Over wanneer grootschalige, fout-getolereerde quantumcomputers met werkelijk onbeperkte circuitdiepte beschikbaar komen, lopen de schattingen in de sector uiteen van het einde van dit decennium tot ver in de jaren 2030; het is eerlijk om te zeggen dat niemand dat nu met zekerheid weet.
Wie werken eraan?
De belangrijkste commerciële spelers zijn IBM (supergeleidende qubits, met het open-source platform Qiskit), Google Quantum AI (eveneens supergeleidend, bekend van Sycamore en Willow), IonQ en Quantinuum (beide met ionvaltechnologie), en Rigetti en PsiQuantum (respectievelijk supergeleidend en fotonisch). In China werkt de University of Science and Technology of China (USTC) aan zowel fotonische systemen (Jiuzhang) als supergeleidende chips (Zuchongzhi), met eigen claims van quantumvoordeel.
Op onderzoeksniveau speelt QuTech in Delft, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, een prominente rol binnen het Nederlandse en Europese quantumonderzoek, onder meer op het gebied van foutcorrectie en alternatieve qubit-technologieën. Nationale en internationale programma's als het Amerikaanse National Quantum Initiative, het Europese Quantum Flagship en het Nederlandse Quantum Delta NL financieren een groot deel van dit fundamentele onderzoek, naast de investeringen van de bedrijven zelf.