Energierelaxatie: waarom een qubit zijn geheugen kwijtraakt
Stel je voor dat je een stemvork aanslaat. Hij trilt en geeft een heldere toon, maar na een paar seconden sterft het geluid vanzelf weg. De energie die je erin stopte, lekt geleidelijk weg naar de lucht eromheen totdat de vork weer stil is. Iets vergelijkbaars gebeurt in een quantumcomputer, maar dan met de kleinste rekeneenheden die er bestaan: qubits. Ook zij kunnen niet oneindig lang in een aangeslagen toestand blijven. Vroeg of laat verliezen ze hun energie aan hun omgeving en vallen ze terug naar hun rusttoestand. Dat proces heet energierelaxatie.
In een gewone computer is dat geen probleem: een bit is gewoon een nul of een één, en die waarde blijft staan totdat je hem actief verandert. Een qubit is anders. Die kan tegelijk een beetje nul én een beetje één zijn — een toestand die natuurkundigen superpositie noemen — en juist dat maakt quantumcomputers potentieel zo krachtig. Maar diezelfde fijngevoelige toestand is ook broos. Energierelaxatie is de klok die aangeeft hoe lang een qubit die broze informatie kan vasthouden voordat hij hem kwijtraakt, en die klok bepaalt in de praktijk hoeveel een quantumcomputer daadwerkelijk kan uitrekenen.
Wat is het precies?
Een qubit heeft, net als een atoom, een grondtoestand (vaak aangeduid als |0⟩) en een aangeslagen toestand (|1⟩) met een hogere energie. Om te rekenen brengen ingenieurs de qubit met gerichte pulsjes microgolfstraling of laserlicht in een superpositie van beide toestanden.
Die aangeslagen toestand is echter niet stabiel. Net als een aangeslagen atoom dat vanzelf een foton uitzendt en terugvalt naar zijn grondtoestand, geeft een qubit langzaam energie af aan zijn omgeving: aan trillingen in het materiaal, aan elektromagnetische ruis, aan microscopische onvolkomenheden in de chip. Na verloop van tijd is de informatie die in de superpositie zat, verdwenen en ligt de qubit gewoon weer op |0⟩.
De tijd waarin die energie gemiddeld wegvloeit, wordt de T1-tijd genoemd, ook wel de energierelaxatietijd. Het is geen harde grens maar een statistisch gemiddelde: net zoals bij radioactief verval neemt de kans dat de qubit nog in de aangeslagen toestand verkeert, exponentieel af met de tijd.
Energierelaxatie moet niet verward worden met een verwant maar ander verschijnsel: dephasing, aangeduid met T2. Daarbij verliest de qubit niet per se energie, maar wel de precieze fase-informatie binnen de superpositie — vergelijkbaar met een orkest dat weliswaar blijft spelen, maar niet meer synchroon loopt. T2 is in de praktijk meestal korter dan of gelijk aan tweemaal T1, en beide vormen van verlies tellen samen op tot wat onderzoekers de coherentietijd van een qubit noemen: het tijdvenster waarbinnen betrouwbaar gerekend kan worden.
Wat wil men ermee bereiken?
Elke rekenstap in een quantumcomputer — een zogeheten quantumpoort — kost tijd. Hoe korter de energierelaxatietijd, hoe minder stappen er uitgevoerd kunnen worden voordat de informatie wegsijpelt. Voor eenvoudige demonstraties is dat te overzien, maar voor nuttige toepassingen zoals het simuleren van nieuwe medicijnmoleculen, het doorrekenen van katalysatoren voor batterijen, of het kraken van bepaalde versleutelingsmethoden, zijn duizenden tot miljoenen betrouwbare rekenstappen nodig.
Daar komt quantumforuitcorrectie bij kijken: door informatie redundant over meerdere fysieke qubits te verdelen, kunnen fouten die door relaxatie ontstaan worden opgespoord en hersteld, mits de onderliggende qubits lang genoeg stabiel blijven om die correctie ook daadwerkelijk uit te voeren. Een langere energierelaxatietijd betekent dus niet alleen dat een enkele qubit beter werkt, maar dat de hele foutcorrectiemachinerie eromheen haalbaarder wordt. Kortom: het doel is niet relaxatie te elimineren — dat is fysisch onmogelijk — maar hem ver genoeg uit te stellen dat rekenwerk en foutcorrectie er ruim overheen passen.
Voorbeelden uit de praktijk
Bij Google Quantum AI vormde de verbetering van coherentie een centraal onderdeel van de Willow-chip die het bedrijf eind 2024 presenteerde. Het team liet zien dat de foutkans juist afnam naarmate er meer fysieke qubits werden gebruikt om één logische, foutgecorrigeerde qubit te vormen — een mijlpaal die alleen haalbaar is als de onderliggende energierelaxatie voldoende onder controle is.
IBM volgt met zijn quantumroadmap een vergelijkbaar pad: chips als Eagle (2021, 127 qubits), Osprey (2022, 433 qubits) en Condor (2023, ruim duizend qubits) laten zien dat het aantal qubits snel groeit, terwijl IBM tegelijk werkt aan langere coherentietijden en betere foutcorrectiecodes, met als ambitie rond het einde van dit decennium een praktisch bruikbare, foutgecorrigeerde quantumcomputer te bouwen.
In Nederland werkt QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, aan meerdere qubit-technologieën tegelijk, waaronder supergeleidende qubits en spin-qubits in silicium. Dat laatste type is interessant omdat silicium met bestaande chipfabrieken te maken is en, mits goed gezuiverd, relatief weinig microscopische verstoringen bevat die tot snelle relaxatie leiden.
Bedrijven als IonQ en Quantinuum gebruiken weer een heel ander principe: los in een vacuümval zwevende, elektrisch geladen atomen (ionen). Omdat die ionen nauwelijks fysiek contact hebben met hun omgeving, kunnen hun energierelaxatietijden aanzienlijk langer zijn dan bij chipgebaseerde qubits, al brengt deze aanpak weer andere technische uitdagingen met zich mee, zoals de snelheid waarmee rekenstappen uitgevoerd kunnen worden.
Tot slot experimenteert Microsoft met zogeheten topologische qubits, gebaseerd op exotische quasideeltjes (Majorana-toestanden), die in theorie van nature veel ongevoeliger zouden zijn voor precies dit soort energieverlies. Deze route bleek echter wetenschappelijk lastig: een veelbesproken publicatie uit 2021 werd later teruggetrokken wegens twijfels over de onderliggende data, en een nieuwe chip die het bedrijf begin 2025 aankondigde, werd door delen van de onderzoeksgemeenschap met merkbare scepsis ontvangen. Het onderstreept dat niet elke aangekondigde doorbraak op dit terrein even hard is.
Hoe ver is de techniek?
De vooruitgang is over de afgelopen twintig jaar aanzienlijk geweest. Waar de eerste supergeleidende qubits begin deze eeuw hun energie al binnen nanoseconden verloren, halen hedendaagse chips van onder meer IBM en Google doorgaans tientallen tot enkele honderden microseconden — een verbetering van enkele ordes van grootte. Spin-qubits en trapped-ion-systemen kunnen daar in gunstige gevallen nog ruim overheen gaan.
Toch blijft energierelaxatie een van de grootste knelpunten in het veld. Een belangrijke boosdoener zijn microscopische materiaaldefecten, zogeheten two-level systems, kleine onvolkomenheden in de dunne oxidelagen van een chip die energie kunnen opslaan en weer afgeven op net de verkeerde momenten. Deze defecten zijn lastig te zien en nog lastiger volledig weg te nemen, en vormen daarmee een actief materiaalkundig onderzoeksterrein op zich, los van de quantumtheorie zelf.
Belangrijk om eerlijk te benoemen: vooruitgang in T1-tijden verloopt niet lineair of gegarandeerd. Verbeteringen komen vaak uit onverwachte hoek — een nieuw materiaal, een andere chipgeometrie, een betere fabricagetechniek — en niet elke aangekondigde stap blijkt bij nader onderzoek even robuust. Een grootschalige, foutgecorrigeerde quantumcomputer die praktische problemen oplost die klassieke computers niet aankunnen, wordt door de meeste roadmaps ergens aan het einde van dit decennium of later verwacht, met de nadruk op verwacht: het is een projectie, geen zekerheid.
Wie werken eraan?
Op bedrijfsniveau zijn IBM, Google Quantum AI, Microsoft, Intel, Rigetti, IonQ en Quantinuum de bekendste namen, elk met een eigen technische aanpak van het relaxatieprobleem. In Frankrijk werkt Pasqal aan qubits gebaseerd op neutrale atomen, weer een andere route met eigen relaxatiekarakteristieken.
Op onderzoeksniveau speelt QuTech in Delft een centrale rol binnen het Nederlandse quantumecosysteem, mede gesteund door het nationale programma Quantum Delta NL. Daarnaast investeren de Europese Unie (via het Quantum Flagship-programma), de Verenigde Staten en China fors in nationale quantumonderzoeksprogramma's, met universiteiten als MIT, ETH Zürich en de University of Science and Technology of China als bekende centra waar aan qubitmaterialen en coherentie wordt gewerkt.