Dual-rail qubit: de rekeneenheid die zelf meldt wanneer ze een fout maakt
Stel je een gokspelletje voor met twee lege bekertjes op tafel en één balletje. Ligt het balletje onder het linkerbekertje, dan telt dat als '0'. Ligt het onder het rechterbekertje, dan telt dat als '1'. Zolang je niet kijkt, kan het balletje dankzij de kwantummechanica zelfs een beetje 'onder allebei tegelijk' zijn — dat heet superpositie, en het is precies wat een qubit, de kwantumversie van een bit, zo bijzonder maakt. Een dual-rail qubit is een manier om zo'n qubit te bouwen met exact dit bekertjes-principe: één kwantumdeeltje (meestal een foton, een lichtdeeltje, of een 'excitatie' in een elektrisch circuit) dat verdeeld is over twee fysieke plekken, de twee 'rails' of sporen.
Het slimme zit in wat er gebeurt als er iets misgaat. Bij een gewone qubit die op één plek zit, kan die stilletjes 'leeglopen' — het deeltje valt terug naar zijn laagste energietoestand zonder dat de computer dat merkt, en de rekenmachine gaat vrolijk verder met een foute waarde alsof er niets aan de hand is. Bij een dual-rail qubit ligt er altijd precies één balletje ergens tussen de twee bekertjes. Verdwijnt het balletje helemaal (het foton gaat verloren, de excitatie lekt weg), dan kun je dat direct zien: er ligt nergens meer een balletje. Dat verschil — tussen een fout die je pas achteraf raadt en een fout die zich meteen meldt — is de kern van waarom onderzoekers deze aanpak interessant vinden voor betrouwbaardere kwantumcomputers.
Wat is het precies?
Een gewone qubit wordt vaak gemaakt met één fysiek systeem: een atoom dat wel of niet aangeslagen is, of een supergeleidend circuit (een piepklein elektrisch schakelingetje dat bij extreem lage temperatuur kwantumgedrag vertoont) dat in een lage of hoge energietoestand zit. De toestand '0' en de toestand '1' zijn dan twee energieniveaus van hetzelfde object.
Bij dual-rail encoding gebruik je in plaats daarvan twee gekoppelde systemen — bijvoorbeeld twee microgolfholtes (kleine metalen kamertjes waarin microgolfstraling kan resoneren) in een supergeleidend circuit, of twee optische golfgeleiders (piepkleine 'lichtbuisjes' op een chip) in een fotonische chip. Er zit precies één excitatie of foton ergens in dat duo. Zit die in rail A, dan is de logische waarde '0'; zit die in rail B, dan is de waarde '1'. Een superpositie van 0 en 1 betekent dat het deeltje kwantummechanisch over beide rails verdeeld is.
Het cruciale ingrediënt is een speciale meting die alléén controleert of er in totaal nog precies één excitatie aanwezig is, zonder te verklappen in welke van de twee rails die zit. Zo'n meting heet niet-destructief of 'kwantum-niet-verstorend', omdat hij de logische informatie (0, 1, of een superpositie ervan) intact laat. Komt er bij die controle een '0' uit — geen enkele excitatie meer aanwezig — dan weet je zeker dat het deeltje is weggelekt. Dat noemen onderzoekers een erasure (letterlijk: 'uitwissing'): een fout waarvan je precies weet dát hij is opgetreden én waar, ook al ken je de oorspronkelijke waarde niet meer.
Dat is fundamenteel anders dan een gewone, onopgemerkte fout. In de klassieke kwantumfoutcorrectie moet een systeem voortdurend zoeken naar fouten van onbekend type op onbekende locaties, wat veel meetpogingen en overtollige (redundante) qubits kost. Weet je daarentegen al wáár de fout zit, dan is corrigeren veel eenvoudiger: je kunt die ene beschadigde qubit simpelweg negeren of vervangen. Theoretisch onderzoek laat zien dat foutcorrectiecodes veel meer van dit soort 'weggewiste' fouten kunnen verdragen dan van onbekende fouten, voordat de code het begeeft.
Wat wil men ermee bereiken?
Het einddoel van veel kwantumonderzoek is een fouttolerante kwantumcomputer: een machine die, ondanks dat individuele qubits voortdurend kleine foutjes maken, toch betrouwbaar een lange berekening kan uitvoeren. Dat lukt alleen met kwantumfoutcorrectie, waarbij je veel fysieke qubits samen laat werken om één betrouwbare 'logische' qubit te vormen. Het probleem is dat die overhead nu enorm is: naar schatting zijn er honderden tot duizenden fysieke qubits nodig per logische qubit, mede omdat een groot deel van de fouten van onbekende aard is.
Als de dominante foutbron in een bepaald type hardware — energieverlies, in supergeleidende circuits vaak aangeduid als T1-verval, of fotonverlies in optische systemen — grotendeels omgezet kan worden in herkenbare erasures, dan zou de benodigde overhead flink kunnen dalen. Minder fysieke qubits per logische qubit betekent kleinere, goedkopere en sneller te bouwen machines.
Voor fotonische kwantumcomputers speelt er nog een extra reden: fotonen die door glasvezel of over een chip reizen, gaan er onderweg soms simpelweg 'niet zijn' door absorptie of verstrooiing. Dual-rail encoding maakt het mogelijk direct te zien of een foton is aangekomen, zodat je een mislukte poging kunt herkennen en desnoods opnieuw proberen, in plaats van onbewust met verkeerde data verder te rekenen.
Voorbeelden uit de praktijk
- Het theoretische fundament ligt al bij het zogeheten KLM-protocol (2001, genoemd naar Knill, Laflamme en Milburn), dat liet zien dat je met dual-rail-gecodeerde fotonen en gewone optische componenten in principe een universele kwantumcomputer kunt bouwen.
- PsiQuantum (opgericht in 2016, Palo Alto) bouwt voort op dit idee en ontwikkelt een fotonische kwantumcomputer op siliciumchips waarin qubits als dual-rail-gecodeerde enkele fotonen door golfgeleiders reizen.
- Aan Yale University demonstreerde de onderzoeksgroep rond Robert Schoelkopf en Liang Jiang rond 2022-2023 een dual-rail qubit gebouwd uit twee gekoppelde supergeleidende microgolfholtes, en toonden ze aan dat fotonverlies daadwerkelijk als erasure te herkennen is.
- Het AWS Center for Quantum Computing, onder leiding van Oskar Painter, publiceerde rond dezelfde periode werk over een dual-rail 'erasure-qubit' gebaseerd op supergeleidende circuits verwant aan transmons (een veelgebruikt type supergeleidende qubit), met als doel te laten zien dat verliesfouten grotendeels detecteerbaar zijn.
- Verwant, maar niet identiek: onderzoekers rond Kolkowitz, Lukin en collega's (Harvard/MIT-omgeving) lieten rond 2022 zien dat je met neutrale atomen in Rydberg-opstellingen (atomen die met laserlicht in een sterk aangeslagen, gevoelige toestand worden gebracht) via extra atomaire energieniveaus eveneens fouten in 'erasures' kunt omzetten — hetzelfde principe, maar dan niet met twee rails maar met extra interne toestanden.
Hoe ver is de techniek?
Dual-rail en erasure-qubits bevinden zich nog in een vroege, experimentele fase. De gepubliceerde resultaten laten vooral zien dát het principe werkt: op het niveau van één of enkele qubits kan een aanzienlijk deel van de verliesfouten inderdaad als erasure worden opgepikt in plaats van onopgemerkt te blijven. Dat is een belangrijke bewijsvoering, maar nog geen werkende, foutgecorrigeerde kwantumcomputer.
Er liggen nog stevige hindernissen. Elke logische dual-rail qubit heeft twee fysieke systemen nodig in plaats van één, wat de hardware in eerste instantie complexer en duurder maakt. De niet-destructieve meting die controleert of er nog een excitatie aanwezig is, moet snel én zeer betrouwbaar zijn, anders introduceert de meting zelf weer nieuwe fouten. Ook moeten onderzoekers nog aantonen dat je meerdere dual-rail qubits met hoge kwaliteit met elkaar kunt laten rekenen (verstrengelen) en opschalen naar tientallen of honderden exemplaren, gecombineerd met foutcorrectiecodes die specifiek zijn afgestemd op erasures.
Het onderzoeksveld is pas sinds ongeveer 2022 goed op stoom gekomen, met een gestage stroom publicaties sindsdien. Er is geen concrete roadmap die belooft wanneer dit tot een grootschalige machine leidt; dual-rail encoding wordt momenteel gezien als één van meerdere veelbelovende bouwstenen binnen de bredere zoektocht naar fouttolerante kwantumcomputers, niet als een gegarandeerde winnende aanpak.
Wie werken eraan?
De belangrijkste zichtbare spelers zitten op dit moment vooral in de Verenigde Staten. Yale University geldt als een van de pioniers op het gebied van dual-rail qubits in supergeleidende microgolfholtes. Het AWS Center for Quantum Computing, verbonden aan Amazon en gevestigd in de buurt van Caltech in Pasadena, onderzoekt dezelfde aanpak vanuit een industriële invalshoek. In de fotonische hoek is PsiQuantum de meest prominente commerciële partij die dual-rail-gecodeerde fotonen als basis van haar hele architectuur gebruikt.
Daarnaast werken diverse universitaire groepen wereldwijd aan de theoretische kant: het ontwerpen van foutcorrectiecodes en decodeeralgoritmes die optimaal gebruikmaken van vooraf bekende foutlocaties (erasures), een onderwerp dat ook onderzoekers buiten de VS bezighoudt, onder meer in Europa. Voorlopig blijft dual-rail-onderzoek echter een relatief klein, sterk academisch en op enkele grote techbedrijven geconcentreerd vakgebied, met de VS als duidelijk zwaartepunt.