Decoherentie: waarom kwantumcomputers zo makkelijk hun geheugen kwijtraken
Stel je een muntje voor dat tegelijk kop én munt is, zolang niemand kijkt. Dat rare gedrag is de kern van de kwantummechanica: deeltjes kunnen in meerdere toestanden tegelijk verkeren, een 'superpositie'. Maar zodra dat muntje ook maar heel even in aanraking komt met de buitenwereld — een luchtmolecuul dat ertegenaan botst, een foton dat erop weerkaatst — kiest het razendsnel voor kop óf munt. Dat verdwijnen van de superpositie heet decoherentie.
Decoherentie is niet iets exotisch dat alleen in laboratoria gebeurt; het is de reden waarom we in het dagelijks leven nooit kwantumeffecten zien. Een tafel, een kat of een smartphone bestaat uit zoveel deeltjes die voortdurend botsen met lucht, licht en warmte, dat elke kwantumsuperpositie in een oogwenk verdwijnt. Voor onderzoekers die kwantumcomputers bouwen is dat een enorm probleem: zij willen juist wél gebruikmaken van superposities, en decoherentie is de grootste spelbreker die hen daarbij in de weg zit.
Wat is het precies?
In de kwantummechanica kan een deeltje, bijvoorbeeld een elektron of een foton (een lichtdeeltje), zich in een superpositie bevinden: een combinatie van meerdere toestanden tegelijk. In een kwantumcomputer gebruikt men dit principe voor de qubit, de kwantumversie van de bit. Waar een gewone bit alleen 0 of 1 kan zijn, kan een qubit een mengvorm van 0 én 1 zijn.
Deze superposities bestaan alleen zolang het systeem volledig geïsoleerd blijft van zijn omgeving. Zodra er interactie optreedt — met trillingen in het materiaal, met elektromagnetische straling, met warmte — 'lekt' informatie over de toestand van het deeltje naar die omgeving. Natuurkundigen noemen dit verlies van kwantuminformatie aan de omgeving decoherentie. Het bijzondere aan het proces is dat er geen energie verloren hoeft te gaan; het is puur het verlies van de onderlinge samenhang (coherentie) tussen de verschillende toestanden in de superpositie.
De tijd waarin een qubit zijn kwantumtoestand behoudt, heet de coherentietijd. Voor de meeste huidige kwantumcomputers is dit extreem kort: bij supergeleidende qubits (het type dat bedrijven als Google en IBM gebruiken) gaat het om microseconden tot enkele honderden microseconden — dat is minder dan een duizendste van een seconde. Andere technieken, zoals qubits gemaakt van gevangen ionen (elektrisch geladen atomen die met lasers en elektrische velden worden vastgehouden), houden hun coherentie doorgaans veel langer vast, in de orde van seconden. Hoe langer de coherentietijd, hoe meer rekenstappen een kwantumcomputer kan uitvoeren voordat de informatie verloren gaat.
Belangrijk is dat decoherentie niet hetzelfde is als een 'foutje' dat je simpelweg kunt herstellen zoals bij een gewone computer. Het is een fundamenteel gevolg van de wetten van de kwantummechanica zelf: zodra een kwantumsysteem informatie deelt met zijn omgeving, is die informatie niet meer terug te draaien zonder het hele systeem — inclusief de omgeving — opnieuw te controleren. Dat maakt het bestrijden ervan zo lastig.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers willen geen decoherentie 'bereiken' — integendeel, het doel is juist om decoherentie zo veel mogelijk uit te stellen of te compenseren. Alleen als qubits lang genoeg coherent blijven, kan een kwantumcomputer voldoende rekenstappen uitvoeren om nuttige berekeningen te doen, zoals het simuleren van moleculen voor medicijnontwikkeling, het kraken (of juist beveiligen) van cryptografische systemen, of het optimaliseren van complexe logistieke problemen.
Er zijn grofweg twee strategieën. De eerste is het fysiek beter isoleren van qubits: door ze extreem koud te maken (tot vlakbij het absolute nulpunt, zo'n -273 graden Celsius), door trillingen te dempen en door materialen te gebruiken die minder gevoelig zijn voor storingen. De tweede strategie is kwantumfoutcorrectie: het slim combineren van veel fysieke, foutgevoelige qubits tot één stabielere 'logische qubit', zodat fouten die door decoherentie ontstaan kunnen worden opgespoord en gecorrigeerd zonder de kwantuminformatie zelf te vernietigen.
Daarnaast is decoherentie ook een onderwerp van fundamenteel wetenschappelijk belang: het helpt natuurkundigen begrijpen waarom onze klassieke, alledaagse wereld zich anders gedraagt dan de kwantumwereld van atomen en deeltjes. Het verklaart de grens tussen de bizarre kwantumregels en de vertrouwde natuurkunde die we om ons heen zien.
Voorbeelden uit de praktijk
Google Sycamore (2019) — Met deze supergeleidende kwantumchip claimde Google 'kwantumsupremacy': een berekening die een klassieke supercomputer duizenden jaren zou kosten, in enkele minuten uitvoeren. De demonstratie liet ook direct zien hoe kwetsbaar de qubits waren: al na microseconden ging de kwantumcoherentie verloren, wat de duur van bruikbare berekeningen sterk beperkte.
Google Willow (2024) — Googles opvolger van Sycamore werd gepresenteerd met resultaten die suggereren dat foutcorrectie daadwerkelijk beter wordt naarmate je meer fysieke qubits per logische qubit gebruikt ('onder de drempel' presteren) — een lang nagestreefde mijlpaal in de strijd tegen decoherentie-gerelateerde fouten.
IBM Quantum roadmap — IBM bouwt al jaren een reeks supergeleidende chips (onder meer met de codenamen Eagle, Osprey, Condor en Heron) en publiceert daarbij steeds verbeterde coherentietijden en foutpercentages, als onderdeel van hun openbare routekaart naar praktisch bruikbare, foutgecorrigeerde kwantumcomputers.
IonQ en trapped-ion systemen — Bedrijven die met gevangen ionen werken, laten zien dat een andere technische aanpak tot aanzienlijk langere coherentietijden kan leiden dan supergeleidende chips, al gaat dit vaak ten koste van rekensnelheid.
QuTech (TU Delft) — Dit Nederlandse onderzoeksinstituut, een samenwerking tussen TU Delft en TNO, doet onder leiding van onderzoekers als Leo Kouwenhoven al jaren onderzoek naar alternatieve qubit-ontwerpen — waaronder spin-qubits in silicium en topologische qubits — die van nature minder gevoelig zouden moeten zijn voor decoherentie.
Hoe ver is de techniek?
De afgelopen jaren zijn coherentietijden gestaag toegenomen, maar er is nog geen doorbraak die decoherentie 'oplost'. De voortgang verloopt incrementeel: elke chipgeneratie van bijvoorbeeld IBM of Google haalt iets langere coherentietijden en iets lagere foutpercentages, mede dankzij betere materialen, koeling en chipontwerp.
De grootste mijlpaal van de laatste jaren is de eerste geloofwaardige demonstraties dat kwantumfoutcorrectie daadwerkelijk werkt zoals de theorie voorspelt: naarmate je meer fysieke qubits samenvoegt tot een logische qubit, neemt de effectieve foutkans af in plaats van toe. Dat is nodig om ooit tot kwantumcomputers met duizenden tot miljoenen stabiele qubits te komen — de schaal die nodig wordt geacht voor werkelijk baanbrekende toepassingen.
Tegelijk blijven er grote obstakels. Foutcorrectie kost zelf ook veel extra qubits: voor elke bruikbare 'logische' qubit zijn nu nog tientallen tot honderden fysieke qubits nodig. Ook alternatieve, decoherentie-bestendigere qubit-typen, zoals de topologische qubits waar Microsoft aan werkt, hebben nog geen onomstreden, breed geaccepteerde doorbraak opgeleverd; claims op dit gebied worden door de wetenschappelijke gemeenschap regelmatig kritisch tegen het licht gehouden voordat ze als bevestigd gelden. Kortom: de techniek verbetert gestaag, maar praktisch bruikbare, grootschalige, foutbestendige kwantumcomputers liggen naar consensus van de meeste experts nog op een termijn van jaren tot mogelijk een decennium.
Wie werken eraan?
Aan de industriekant lopen Google Quantum AI en IBM Quantum voorop met supergeleidende qubit-chips, gevolgd door bedrijven als IonQ en Quantinuum die op gevangen ionen inzetten. Microsoft zoekt het in een fundamenteel andere, nog experimentele richting met topologische qubits, die in theorie van nature bestand zouden moeten zijn tegen decoherentie. Rigetti Computing is een kleinere Amerikaanse speler in het supergeleidende kamp.
Op onderzoeksgebied is QuTech in Delft een van de belangrijkste Europese centra, met nauwe banden tussen TU Delft en TNO. Ook instituten als het Zwitserse ETH Zürich, de Amerikaanse Yale University (pionier van de zogeheten circuit-kwantumelektrodynamica die aan de basis ligt van veel supergeleidende qubit-chips) en het Amerikaanse standaardeninstituut NIST spelen een grote rol. Niet toevallig ging de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2012 naar Serge Haroche en David Wineland, voor hun baanbrekende experimentele methoden om individuele kwantumsystemen te meten en manipuleren zonder ze direct te vernietigen — werk dat ten grondslag ligt aan veel hedendaags decoherentie-onderzoek. Landen die fors investeren in dit veld zijn onder meer de Verenigde Staten, China, Duitsland en Nederland, vaak via nationale kwantumstrategieën en -fondsen.