Dephasingtijd
Stel je een groot aantal stopwatches voor die tegelijk worden gestart en allemaal exact hetzelfde tempo zouden moeten hebben. In een perfecte wereld lopen ze voor altijd synchroon. In de echte wereld heeft elke stopwatch echter een minuscuul eigen trillinkje, een piepklein verschil veroorzaakt door temperatuur, trillingen of slijtage. Na een tijdje lopen ze niet meer gelijk: ze tikken nog steeds, er gaat geen energie verloren, maar de onderlinge synchroniciteit is weg. Dat verlies van synchroniciteit, terwijl de "klok" zelf gewoon doortikt, is in essentie wat natuurkundigen dephasing noemen.
In de wereld van quantumcomputers is dit geen bijzaak maar een van de grootste obstakels. De bouwstenen van een quantumcomputer, qubits, bewaren informatie niet alleen als een simpele 0 of 1, maar ook in de precieze fase van een golfachtige toestand — te vergelijken met het exacte moment waarop de wijzer van een klok staat. De dephasingtijd (ook wel T2 of coherentietijd genoemd) is de tijd waarin die fase-informatie betrouwbaar bewaard blijft voordat ruis uit de omgeving haar door elkaar gooit. Hoe langer die tijd, hoe meer rekenstappen een quantumcomputer kan uitvoeren voordat de berekening in ruis verzuipt.
Wat is het precies?
Een qubit (quantumbit) is de quantumversie van een gewoon computerbit. Waar een klassiek bit altijd 0 óf 1 is, kan een qubit dankzij een quantumeigenschap genaamd superpositie tegelijk een beetje 0 én een beetje 1 zijn. Die toestand wordt wiskundig beschreven met twee dingen: een kans (hoeveel procent 0 versus 1) en een fase — een soort draaihoek die aangeeft hoe de twee mogelijkheden zich tot elkaar verhouden.
Natuurkundigen onderscheiden twee manieren waarop een qubit zijn informatie kan kwijtraken. De eerste heet relaxatie, aangeduid met T1: de qubit valt letterlijk terug van zijn aangeslagen energietoestand (de "1") naar zijn laagste toestand (de "0"), vergelijkbaar met een bal die vanzelf naar beneden rolt. De tweede is dephasing, aangeduid met T2: de energie blijft behouden, maar de fase — die draaihoek — raakt door kleine, willekeurige verstoringen uit de omgeving verward. Denk aan onze stopwatches: ze blijven lopen (geen T1-verlies), maar raken uit de pas (wel T2-verlies).
In de praktijk meten onderzoekers vaak een grootheid genaamd T2*, uitgesproken als "T2-ster". Dat is de dephasingtijd zoals die in een ruw experiment naar voren komt, inclusief trage, langzaam veranderende storingen zoals kleine drift in magneetvelden. Met slimme trucs — bijvoorbeeld het periodiek "omdraaien" van de qubit via een zogeheten spin-echo-puls — kunnen die trage storingen deels worden weggefilterd, wat een langere, zuiverdere T2 oplevert. Natuurkundig geldt bovendien dat T2 nooit langer kan zijn dan twee keer T1: als de energie zelf al wegvalt, is de fase-informatie sowieso verloren.
De oorzaken van dephasing verschillen per type qubit. Bij supergeleidende qubits, gemaakt van metaal dat bij extreme kou (rond het absolute nulpunt, oftewel -273°C) zijn elektrische weerstand verliest, spelen microscopische materiaaldefecten en thermische ruis in de bekabeling een rol. Bij qubits gemaakt van gevangen atomen (ionen) in een vacuümkamer zijn het vooral trillingen van laserlicht en magneetveldfluctuaties die roet in het eten gooien. Elk platform heeft dus zijn eigen "vijanden" van coherentie.
Wat wil men ermee bereiken?
Een quantumcomputer wordt pas nuttig als hij lang genoeg foutvrij kan rekenen. Elke rekenstap (een zogeheten quantumgate) kost tijd, en als de dephasingtijd korter is dan de tijd die nodig is voor voldoende stappen, gaat de berekening verloren voordat er een zinnig antwoord uitrolt. Onderzoekers jagen daarom op twee dingen tegelijk: qubits die intrinsiek langer coherent blijven, én rekenstappen die sneller en nauwkeuriger worden uitgevoerd, zodat er binnen de beschikbare coherentietijd meer past.
De uiteindelijke droom is een foutgecorrigeerde, "fouttolerante" quantumcomputer: een machine die met behulp van foutcorrectiecodes (waarbij veel fysieke qubits samen één betrouwbare "logische" qubit vormen) blijft rekenen ondanks dephasing en andere ruis. Dat zou in potentie deuren openen naar het simuleren van complexe moleculen voor medicijn- en materiaalontwikkeling, het kraken of juist beveiligen van cryptografie, en het efficiënt oplossen van bepaalde optimalisatieproblemen. Belangrijk om te beseffen: die beloftes zijn nog grotendeels theoretisch. Een lange dephasingtijd is een noodzakelijke, maar geen voldoende voorwaarde voor die doorbraken.
Voorbeelden uit de praktijk
Google Sycamore (2019) — Met 53 supergeleidende qubits claimde Google's onderzoeksteam "quantum supremacy": een berekening die een klassieke supercomputer onwerkbaar lang zou kosten. De qubits hadden coherentietijden in de orde van tientallen microseconden, kort genoeg dat elke winst in T2 direct zichtbaar werd in de resultaten.
IonQ en Quantinuum — Deze bedrijven bouwen qubits van individuele, in een vacuüm gevangen atomen (ionen), bestuurd met laserlicht. Omdat atomen van nature identiek zijn en goed te isoleren zijn van hun omgeving, halen deze systemen coherentietijden die vaak seconden tot soms minuten bedragen — vele ordes van grootte langer dan supergeleidende chips, al zijn de rekenstappen zelf doorgaans trager.
QuTech / TU Delft, Hanson-lab — Het Nederlandse onderzoeksinstituut QuTech (een samenwerking tussen TU Delft en TNO) werkt met NV-centra: piepkleine defecten in diamant die als qubit fungeren. In 2015 realiseerde de groep van Ronald Hanson een spraakmakend experiment (een "loophole-free Bell-test") dat mede dankzij lange coherentietijden van deze spin-qubits mogelijk werd. Delft bouwt hiermee ook aan een prototype van een "quantuminternet".
IBM Quantum-roadmap — IBM publiceert jaarlijks voortgang op supergeleidende processors (met namen als Eagle, Osprey en Condor, tussen 2021 en 2023) en rapporteert daarbij telkens verbeteringen in zowel qubit-aantal als coherentietijd, als onderdeel van hun pad richting "quantum-centric supercomputing".
Microsoft's topologische qubit-claim (2025) — Microsoft kondigde een qubit-ontwerp aan (Majorana 1) dat in theorie van nature beter bestand zou zijn tegen dephasing, omdat de informatie op een topologische — meer "ingebouwd beschermde" — manier wordt opgeslagen. Deze claim is binnen de wetenschappelijke gemeenschap omstreden: eerdere, vergelijkbare aankondigingen van hetzelfde type onderzoek moesten in het verleden worden teruggetrokken wegens onvoldoende onderbouwing, en onafhankelijke verificatie van de nieuwste claim loopt nog.
Hoe ver is de techniek?
De afgelopen tien jaar zijn coherentietijden van supergeleidende qubits gestegen van microseconden naar soms enkele honderden microseconden, en bij sommige laboratoriumchips zelfs richting één millisecond. Dat klinkt kort, maar in die tijd passen — dankzij steeds snellere gates — inmiddels duizenden rekenstappen. Trapped-ion- en NV-centrum-platforms lopen qua ruwe coherentietijd al langer voorop, maar kampen weer met andere beperkingen, zoals de snelheid waarmee gates worden uitgevoerd of de moeite om veel qubits tegelijk te koppelen.
Een belangrijke recente mijlpaal is dat verschillende groepen, waaronder Google in 2023 en 2024, hebben laten zien dat foutcorrectie daadwerkelijk beneden de zogeheten foutdrempel kan werken: het combineren van meerdere fysieke qubits tot één logische qubit levert dan minder fouten op dan de individuele qubits afzonderlijk hadden. Dat is een belangrijk signaal dat het pad richting fouttolerante quantumcomputers begaanbaar is, al blijft de weg naar machines met honderdduizenden tot miljoenen qubits — de schaal die voor werkelijk nuttige toepassingen nodig wordt geacht — nog lang.
Eerlijkheidshalve: de sector kent een geschiedenis van optimistische tijdspaden die zijn bijgesteld. Er is geen breed gedragen consensus over wanneer (of zelfs óf) grootschalige, fouttolerante quantumcomputers er komen; schattingen in de sector zelf lopen uiteen van rond 2030 tot ruim daarna. Dephasingtijd is daarbij één knop van velen — vooruitgang op dit ene punt garandeert geen doorbraak op systeemniveau.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn IBM en Google Quantum AI toonaangevend op supergeleidende qubits, met Microsoft (via Azure Quantum en het topologische-qubitprogramma) en Intel (siliciumspin-qubits, voortbouwend op chipfabricage-ervaring) als grote spelers met een andere technische aanpak. Gespecialiseerde bedrijven als IonQ, Quantinuum (ontstaan uit een fusie van Honeywell's quantumtak met Cambridge Quantum) en Rigetti richten zich respectievelijk op trapped-ion- en supergeleidende platforms, terwijl PsiQuantum inzet op fotonische (lichtgebaseerde) qubits.
Op onderzoeksinstituutniveau spelen de Yale University (bakermat van veel supergeleidende-qubittechnieken, met onderzoekers als Michel Devoret en Robert Schoelkopf), de Universiteit van Innsbruck (pionier in ion-trap-experimenten, groep Rainer Blatt) en het Chinese USTC (University of Science and Technology of China, met eigen quantumsupremacy-experimenten) een belangrijke rol. In Nederland is QuTech in Delft het boegbeeld, met sterke banden tussen TU Delft, TNO en internationale partners.
Landen en regio's investeren fors: naast de VS en China loopt de Europese Unie een meerjarig "Quantum Flagship"-programma, en zetten onder meer Duitsland, het Verenigd Koninkrijk en Japan eigen nationale quantumstrategieën op. De sector wordt gekenmerkt door een mix van publiek onderzoeksgeld, durfkapitaal en steeds grotere investeringen van techreuzen — wat ook betekent dat commerciële belangen soms de toon van aankondigingen kleuren.