Clusterstaat: het verstrengelde web achter de 'one-way' kwantumcomputer
Stel je een groot vel ruitjespapier voor, waarbij elk kruispunt een deeltje is — bijvoorbeeld een foton, een lichtdeeltje. Op zichzelf doet zo'n deeltje niet veel bijzonders. Maar verbind je alle buurdeeltjes met elkaar via kwantumverstrengeling, dan ontstaat er iets vreemds: het hele net gedraagt zich als één samenhangend geheel. Verander je iets aan één punt, dan voel je dat direct op plekken verderop in het net. Zo'n verstrengeld rooster van deeltjes noemen natuurkundigen een clusterstaat.
Het bijzondere is niet alleen dat een clusterstaat bestaat, maar wat je ermee kunt doen. In plaats van een kwantumcomputer te bouwen die, net als een gewone computer, stap voor stap rekenpoortjes ('gates') uitvoert, kun je met een clusterstaat een heel ander recept volgen: bouw eerst het hele verstrengelde net, en 'lees' het daarna deeltje voor deeltje af met metingen. Elke meting beslist, op basis van het resultaat van de vorige, hoe de volgende meting eruitziet. Aan het eind rolt het antwoord op je rekenprobleem eruit. Dit heet measurement-based quantum computing (metinggestuurd kwantumrekenen), ook wel het 'one-way'-model genoemd — want eenmaal gemeten, is het net verbruikt en kun je niet terug.
Wat is het precies?
Een clusterstaat begin je met een verzameling qubits — de kwantumversie van een bit, die niet alleen 0 of 1 kan zijn maar ook een mengvorm daarvan. Elke qubit wordt eerst in een neutrale tussentoestand gezet, een soort perfecte balans tussen 0 en 1. Vervolgens worden buurqubits, meestal gerangschikt in een rooster of ander patroon, met elkaar verstrengeld via een specifieke kwantumbewerking (een zogeheten controlled-phase-poort). Het resultaat is een uniek soort veelqubit-toestand: de clusterstaat.
Daarna gebeurt er iets tegen-intuïtiefs: er worden geen rekenpoorten meer op de qubits losgelaten. In plaats daarvan wordt elke qubit gewoon gemeten, in een zorgvuldig gekozen 'richting' (meetbasis). Welke richting dat is voor de volgende qubit, hangt af van de uitkomst van de meting op de vorige qubit — het proces is dus adaptief. Door deze reeks metingen slim te kiezen, simuleer je effectief elk gewenst kwantumrekenprogramma. Wiskundig is aangetoond dat dit model even krachtig is als het gangbare 'circuitmodel' met losse rekenpoorten: alles wat de ene aanpak kan, kan de andere ook.
Het voordeel zit in de scheiding tussen twee lastige stappen. Het maken van verstrengeling tussen deeltjes die niet makkelijk met elkaar willen 'praten' — zoals fotonen, die normaal dwars door elkaar heen vliegen zonder te reageren — kan nu apart en zelfs bij voorbaat ('offline') gebeuren, desnoods met een beetje kansspel erbij. Het rekenwerk zelf, de metingen, is daarna relatief eenvoudig en snel uit te voeren. Voor platforms waar het maken van een twee-deeltjes-rekenpoort moeilijk is, maar het meten van een enkel deeltje juist goed lukt, is dit een aantrekkelijke omweg.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is hetzelfde als bij elke aanpak in de kwantumcomputing: een machine bouwen die bepaalde problemen — zoals het simuleren van moleculen, het kraken van optimalisatievraagstukken of (in theorie) het breken van bepaalde vormen van encryptie — sneller kan oplossen dan een klassieke computer, en die uiteindelijk foutbestendig (fouttolerant) genoeg is om lange, betrouwbare berekeningen te doen.
De clusterstaat-route is vooral populair bij onderzoekers die met licht werken. Fotonen zijn aantrekkelijk als kwantumbit: ze reizen makkelijk door glasvezel, verstoren elkaar nauwelijks door omgevingsruis, en kunnen bij kamertemperatuur gebruikt worden — in tegenstelling tot bijvoorbeeld supergeleidende qubits, die tot bijna het absolute nulpunt gekoeld moeten worden. Het probleem is alleen dat twee fotonen elkaar van nature vrijwel niet 'zien', waardoor een directe rekenpoort tussen twee fotonen extreem lastig te maken is. Door in plaats daarvan een clusterstaat te bouwen — desnoods met een zekere kans op mislukken die je net zolang herhaalt tot het lukt — en de rest van het werk met metingen te doen, omzeil je dit fundamentele obstakel. Datzelfde idee wordt inmiddels ook verkend bij andere platforms, zoals gevangen ionen en supergeleidende circuits, al is daar de noodzaak minder groot omdat directe rekenpoorten daar beter werken.
Een bijkomende belofte is de link met kwantumnetwerken en een toekomstig 'kwantuminternet'. Omdat clusterstaten van nature bestaan uit verstrengeling die over afstand kan worden opgezet, sluit het model goed aan bij plannen om kwantumcomputers via lichtverbindingen met elkaar te verbinden.
Voorbeelden uit de praktijk
Het concept werd in 2001 wiskundig geïntroduceerd door de natuurkundigen Hans Briegel en Robert Raussendorf, die in hun invloedrijke artikel over de 'one-way quantum computer' lieten zien dat metingen op een clusterstaat evenveel rekenkracht bieden als een circuit van kwantumpoorten.
Een paar jaar later, in 2005, demonstreerde een team rond Anton Zeilinger in Wenen voor het eerst experimenteel een clusterstaat van vier fotonen en voerde daarmee kleine rekenalgoritmes uit — een mijlpaal die liet zien dat het idee niet alleen op papier werkte.
De groep van Akira Furusawa aan de Universiteit van Tokio koos een andere invalshoek: in plaats van losse fotonen één voor één te verstrengelen, gebruikten zij continue lichtgolven (zogeheten continuous-variable kwantuminformatie) en een technische truc met optische lussen en tijdsvertraging om duizenden, en later zelfs meer dan een miljoen, verstrengelde lichtpulsen na elkaar te genereren — een indrukwekkende schaalvergroting, al gaat het daarbij om een beperktere, nog niet universele vorm van clusterstaat.
Op commercieel vlak bouwt het Canadese bedrijf Xanadu fotonische processoren die expliciet op clusterstaten leunen; hun chip 'Borealis' liet in 2022 een taak zien die voor een klassieke supercomputer onhaalbaar traag zou zijn. Het Amerikaanse PsiQuantum werkt aan een vergelijkbare aanpak — 'fusion-based quantum computation' genoemd — waarbij kleine, vooraf gemaakte verstrengelde bouwsteentjes via metingen aan elkaar 'gefuseerd' worden tot een grotere clusterstaat, gefabriceerd op siliciumchips samen met chipmaker GlobalFoundries.
Hoe ver is de techniek?
De theorie achter clusterstaten staat al ruim twintig jaar stevig overeind en wordt breed als bewezen concept beschouwd. De praktijk is een ander verhaal: het opschalen van betrouwbare, foutbestendige clusterstaten naar de omvang die nodig is voor nuttige berekeningen, blijft een van de grootste technische uitdagingen in het vakgebied.
Bij fotonische systemen is het belangrijkste obstakel verlies: fotonen gaan onderweg door optische componenten regelmatig verloren, en elk verloren deeltje kan het hele rekenproces verstoren. Onderzoekers werken daarom aan foutcorrigerende varianten van de clusterstaat die tegen zulk verlies bestand zijn, en aan steeds efficiëntere manieren om verstrengeling te genereren zonder al te veel te moeten gokken. Bij continuous-variable clusterstaten, zoals die van Furusawa's groep, is de uitdaging vooral om de resterende kwantumruis voldoende te onderdrukken om er foutbestendig mee te kunnen rekenen.
Interessant is ook de link met kwantumfoutcorrectie in bredere zin: de zogeheten 'surface codes', die grote spelers als Google en IBM gebruiken om fouten in supergeleidende qubits te onderdrukken, zijn wiskundig nauw verwant aan clusterstaten en de bredere familie van 'graph states'. Vooruitgang in het ene veld voedt dus regelmatig inzichten in het andere.
Al met al bevinden clusterstaat-gebaseerde systemen zich in een fase waarin losse bouwstenen — het genereren van verstrengeling, het uitvoeren van metingen, het corrigeren van fouten — apart goed werken, maar het combineren daarvan tot een machine die praktisch nuttige, foutbestendige berekeningen uitvoert nog jaren van ontwikkeling vergt. Concrete tijdspaden die bedrijven noemen (vaak ergens rond het einde van dit decennium) moeten met de nodige voorzichtigheid worden gelezen; dergelijke voorspellingen zijn in de kwantumcomputing al vaker naar achteren geschoven.
Wie werken eraan?
Academisch is het veld ontstaan in Europa, met baanbrekend werk van Hans Briegel (destijds Innsbruck/München) en Robert Raussendorf, en vroege experimenten bij de groep van Anton Zeilinger in Wenen. De Universiteit Innsbruck, met onder meer de groep van Rainer Blatt, heeft daarnaast decennialang bijgedragen aan verstrengelingsexperimenten die met dit onderzoeksveld verweven zijn. In Japan is de groep van Akira Furusawa aan de Universiteit van Tokio toonaangevend op het gebied van grootschalige continuous-variable clusterstaten.
Op het commerciële vlak lopen Xanadu (Canada) en PsiQuantum (Verenigde Staten) voorop in het bouwen van fotonische kwantumcomputers rond het clusterstaat-idee; beide bedrijven werken samen met chipfabrikanten om hun optische circuits op industriële schaal te kunnen produceren. Ook onderzoeksgroepen in China, waaronder het team van Pan Jianwei aan de University of Science and Technology of China, zetten geregeld records in het verstrengelen van grote aantallen fotonen — werk dat nauw aansluit bij clusterstaat-onderzoek, ook al ligt de nadruk daar soms meer op fundamentele verstrengelingsrecords dan op rekenen zelf.
Daarnaast investeren nationale onderzoeksprogramma's in Europa (onder meer via EU-kwantumprogramma's), de Verenigde Staten (via onder andere DARPA en het National Quantum Initiative) en Australië in fotonische en meetgebaseerde kwantumtechnologie, vaak in samenwerking tussen universiteiten en start-ups.