Coherentietijd: hoe lang een qubit zijn geheugen vasthoudt
Stel je een tollend muntstuk voor. Zolang het draait, bevindt het zich in een vreemde tussentoestand: niet kop, niet munt, maar een beetje van beide tegelijk. Laat je het los in een rustige, stille kamer, dan blijft het lang tollen. Sta je echter op een trillende trein, dan valt het al na een paar seconden om. Coherentietijd is in de kwantumwereld precies dat: de tijd dat een kwantumbit, of qubit, in die vreemde tussentoestand kan blijven voordat de omgeving hem laat 'omvallen' naar een gewone, alledaagse waarde.
Dat tijdsbestek is meestal verbijsterend kort: van een paar microseconden tot hooguit enkele seconden, afhankelijk van het type qubit. Toch is het een van de belangrijkste getallen in de kwantumtechnologie. Hoe langer de coherentietijd, hoe meer rekenstappen een kwantumcomputer kan uitvoeren voordat de informatie wegvloeit als los zand tussen de vingers. Coherentietijd bepaalt dus, letterlijk, hoeveel tijd onderzoekers hebben om iets nuttigs te doen voordat de kwantumeffecten verdwijnen.
Wat is het precies?
Een gewone computerbit is altijd 0 of 1. Een qubit kan dankzij een kwantumeigenschap die superpositie heet, tegelijkertijd een beetje 0 en een beetje 1 zijn. Ook kunnen qubits onderling verstrengeld raken, waardoor hun toestanden onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn, ongeacht de afstand ertussen. Deze twee eigenschappen samen geven kwantumcomputers hun potentiële rekenkracht.
Het probleem is dat superpositie en verstrengeling extreem breekbaar zijn. Elke qubit staat in contact met zijn omgeving: trillingen, warmte, elektromagnetische straling, zelfs kosmische straling. Die omgeving 'meet' voortdurend een beetje van de qubit, waardoor de kwantumtoestand langzaam weglekt naar een gewone, klassieke 0 of 1. Dat proces heet decoherentie, en de coherentietijd is de karakteristieke tijd waarin dat gebeurt.
Natuurkundigen maken hierbij onderscheid tussen twee grootheden. De T1-tijd (relaxatietijd) meet hoe lang het duurt voordat een qubit spontaan energie verliest en terugvalt naar zijn laagste energietoestand, vergelijkbaar met een aangeslagen stemvork die uitdooft. De T2-tijd (defaseringstijd) meet hoe lang de precieze fase-informatie in de superpositie bewaard blijft, wat gevoeliger is en meestal korter duurt dan T1. Beide waarden samen bepalen hoeveel rekenoperaties (zogeheten 'gates') een qubit kan ondergaan voordat de informatie te onbetrouwbaar wordt.
Wat wil men ermee bereiken?
Een kwantumalgoritme bestaat uit een reeks bewerkingen op qubits. Elke bewerking kost tijd en voegt een beetje ruis toe. Is de coherentietijd te kort, dan valt de berekening letterlijk uit elkaar voordat ze is afgerond. Onderzoekers willen daarom qubits die lang genoeg 'kwantum' blijven om honderden tot miljoenen bewerkingen te doorstaan.
Dat laatste aantal is niet toevallig gekozen: voor echt nuttige toepassingen, zoals het simuleren van nieuwe medicijnen of materialen, is kwantumforutcorrectie nodig. Daarbij worden meerdere fysieke qubits samengevoegd tot één stabielere 'logische' qubit die fouten kan detecteren en herstellen. Dat vereist enorm veel extra rekenstappen binnen het tijdsbestek dat de coherentietijd toelaat. Kortom: hoe langer de coherentietijd, hoe minder overhead nodig is en hoe dichter de droom van een betrouwbare, foutbestendige kwantumcomputer bij komt.
Voorbeelden uit de praktijk
Verschillende laboratoria en bedrijven werken met uiteenlopende qubit-types, elk met hun eigen coherentie-eigenschappen.
Google Sycamore (2019) gebruikte supergeleidende qubits met coherentietijden in de orde van enkele tientallen microseconden. Daarmee claimde Google destijds 'kwantumsuprematie': een berekening die een klassieke supercomputer naar verluidt duizenden jaren zou kosten.
Google Willow (eind 2024) is de opvolger waarmee Google voor het eerst liet zien dat foutcorrectie de fouten daadwerkelijk kon laten afnemen naarmate er meer fysieke qubits aan een logische qubit werden toegevoegd, een belangrijke mijlpaal die mede dankzij verbeterde materialen en langere coherentietijden mogelijk werd.
IBM volgt met zijn Heron-processoren (vanaf 2023) een vergelijkbaar pad: niet simpelweg meer qubits toevoegen, maar de kwaliteit en coherentietijd van elke individuele qubit verbeteren.
Quantinuum, ontstaan uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum (2021), werkt met qubits gemaakt van gevangen ionen (geladen atomen die met elektrische velden zweven). Ionqubits staan bekend om coherentietijden die vele malen langer zijn dan bij supergeleidende chips, doordat individuele atomen van nature identiek zijn en minder gevoelig zijn voor materiaaldefecten.
QuTech, het kwantuminstituut van de TU Delft, is internationaal bekend geworden door experimenten met elektronen die vastzitten in kleine defecten in diamant (zogeheten NV-centra). In 2015 voerde de groep van Ronald Hanson daarmee een 'loophole-free' Bell-test uit, een experiment dat mede dankzij relatief lange coherentietijden van deze systemen kon slagen.
Hoe ver is de techniek?
De vooruitgang is indrukwekkend als je terugkijkt. Begin jaren 2000 hielden de eerste supergeleidende qubits hun kwantumtoestand slechts nanoseconden vast. Inmiddels zijn microseconden tot honderden microseconden gebruikelijk, en onderzoeksgroepen die experimenteren met nieuwe materialen zoals tantaal in plaats van aluminium melden nog langere tijden. Gevangen-ionqubits en sommige vaste-stof-systemen zoals NV-centra en siliciumspinqubits kunnen coherentietijden van milliseconden tot seconden bereiken, soms zelfs langer bij lage temperaturen.
Toch blijft coherentietijd alleen niet de hele waarheid vertellen: de snelheid waarmee bewerkingen worden uitgevoerd telt minstens zo zwaar mee. Een systeem met een kortere coherentietijd maar razendsnelle bewerkingen (zoals supergeleidende chips, die in nanoseconden schakelen) kan per saldo meer stappen zetten dan een langzamer systeem met een langere coherentietijd, zoals gevangen ionen. De verhouding tussen coherentietijd en bewerkingssnelheid, vaak uitgedrukt als het aantal mogelijke operaties, is daarom de eigenlijke maatstaf waar onderzoekers naar kijken.
De grootste obstakels blijven materiaaldefecten op nanoschaal (zogeheten 'two-level systems' in de oxidelaagjes van supergeleidende circuits), thermische ruis, trillingen en elektromagnetische storing. Supergeleidende chips moeten daarom worden gekoeld tot temperaturen dichtbij het absolute nulpunt, in speciale koelkasten die kouder zijn dan de ruimte tussen sterren. Dat maakt opschalen naar de miljoenen qubits die voor volwaardige foutcorrectie nodig zijn, technisch en financieel een enorme uitdaging.
Een aparte, meer omstreden route is die van topologische qubits, waarbij informatie zou worden opgeslagen in een intrinsiek stabielere, 'gevlochten' vorm die van nature minder gevoelig is voor decoherentie. Microsoft claimde in februari 2024 met zijn Majorana 1-chip vooruitgang op dit vlak, maar het bedrijf trok in 2021 een eerdere publicatie uit 2018 in Nature in wegens datakwesties. Onafhankelijke natuurkundigen zijn voorzichtig en willen eerst zien dat de claims in vervolgonderzoek standhouden voordat ze als bewezen doorbraak gelden.
Wie werken eraan?
Het veld is een mix van techbedrijven en universitaire kwantuminstituten. In de Verenigde Staten zijn IBM, Google Quantum AI, Intel, Rigetti, IonQ en Microsoft Quantum grote spelers, elk met een eigen technologische aanpak. Quantinuum, met vestigingen in de VS en het Verenigd Koninkrijk, is toonaangevend op het gebied van gevangen-ionqubits.
In Nederland is QuTech in Delft, een samenwerking tussen de TU Delft en het onderzoeksinstituut TNO, internationaal vooraanstaand op het gebied van diamant- en siliciumqubits. Het instituut maakt deel uit van het nationale programma Quantum Delta NL, dat met steun van de Nederlandse overheid de kwantumsector wil opbouwen.
Op Europees niveau coördineert het Quantum Flagship-programma van de Europese Unie miljardeninvesteringen in kwantumonderzoek, terwijl in de Verenigde Staten het National Quantum Initiative een vergelijkbare rol speelt. Ook China investeert fors in kwantumtechnologie, onder meer via staatsgesteunde onderzoeksprogramma's, al is er over de precieze voortgang daar minder onafhankelijk gepubliceerde informatie beschikbaar dan over westerse projecten.