Erasure qubit: hoe kwantumcomputers leren om fouten te voorkomen

Stel je voor dat je een dictee overschrijft met een potlood dat af en toe per ongeluk een lettertje uitgumt, zodat er een duidelijk leeg vakje ontstaat. Dat is vervelend, maar wel te overzien: je weet precies waar het probleem zit en kunt gericht een oplossing zoeken. Vergelijk dat met een typemachine die af en toe stiekem het verkeerde lettertje afdrukt, zonder dat je dat ziet. Dan moet je de hele tekst woord voor woord natrekken om de fout te vinden. Een erasure qubit (letterlijk: 'wisqubit' of 'uitwisqubit') is een kwantumbit die zo is ontworpen dat fouten zoveel mogelijk op de eerste, makkelijk te herstellen manier optreden: als een zichtbaar 'leeg vakje' in plaats van een onzichtbare verwisseling.

Dit is geen apart soort deeltje of nieuw type kwantumcomputer, maar een ontwerpstrategie. Onderzoekers bouwen qubits — de kwantumversie van een bit, die dankzij superpositie tegelijk een beetje 0 en een beetje 1 kan zijn — zo dat de meest voorkomende fouten een duidelijk, meetbaar signaal afgeven op het moment dat ze gebeuren. Daardoor weet de computer meteen welke qubit is misgegaan, nog voordat er iets met de rekenkundige inhoud gedaan wordt. Dat maakt het herstellen van fouten aanzienlijk lichter, wat cruciaal is omdat foutcorrectie op dit moment de grootste hindernis is tussen de kwetsbare kwantumchips van nu en een betrouwbare, grootschalige kwantumcomputer.

Wat is het precies?

Een gewone qubit lijdt aan decoherentie: door onvermijdelijk contact met de omgeving (trillingen, straling, elektromagnetische ruis) verliest hij geleidelijk zijn kwantuminformatie. Dat uit zich in willekeurige fouten — een bitflip (0 wordt 1), een faseflip (een subtielere kwantumfout) of een combinatie daarvan. Het vervelende is dat een standaardqubit niet vertelt wanneer of waar zo'n fout is opgetreden. Om dat toch te achterhalen, moeten kwantumcomputers voortdurend indirecte 'syndroommetingen' doen op groepjes qubits, en zelfs dan blijft er onzekerheid over zowel de locatie als het type fout.

Bij een erasure qubit wordt de qubit fysiek zo geconstrueerd dat de dominante foutmechanismen de qubit naar een andere, goed te onderscheiden toestand duwen — bijvoorbeeld een ander energieniveau van een atoom, of een andere plek in een supergeleidende trilholte. Die toestand kan vervolgns worden opgespoord met een meting die de rest van de rekenkundige informatie niet verstoort. Bij neutrale atomen gebeurt dit bijvoorbeeld door het atoom kort te laten oplichten (fluoresceren): licht betekent 'fout hier', geen licht betekent 'toestand intact'. Bij supergeleidende schakelingen gebruikt men vaak een truc genaamd dual-rail encoding: de logische 0 en 1 worden niet opgeslagen als 'wel of geen foton', maar als 'in welke van twee gekoppelde holtes zit het ene foton'. Verdwijnt het foton door verlies, dan zijn beide holtes plotseling leeg — een onmiskenbaar signaal dat er iets mis is.

Het resultaat is dat een aanzienlijk deel van de fouten wordt omgezet van een 'stille', onbekende fout in een 'luide', bekende fout: een zogeheten erasure (wisfout), een term die oorspronkelijk uit de klassieke informatietheorie komt, waar hetzelfde onderscheid al decennia bekend is. Foutcorrectiecodes die weten waar de fout zit, kunnen met veel minder overtollige qubits en veel hogere foutpercentages toch betrouwbaar blijven werken dan codes die zowel locatie als type fout moeten raden.

Wat wil men ermee bereiken?

Het uiteindelijke doel van kwantumfoutcorrectie is een logische qubit: een virtuele, zeer betrouwbare qubit die is opgebouwd uit veel fysieke qubits, zodat fouten in de afzonderlijke onderdelen elkaar niet laten doorwerken in de uitkomst. Hoeveel fysieke qubits daarvoor nodig zijn, hangt sterk af van hoe vaak fouten optreden en hoe goed je weet waar ze zitten. Bij de gangbare 'oppervlaktecode' (surface code) wordt vaak gerekend met honderden tot duizenden fysieke qubits per logische qubit, wat de bouw van een nuttige kwantumcomputer enorm duur en complex maakt.

Omdat wisfouten zoveel informatie 'gratis' meegeven, kunnen foutcorrectiecodes met erasure qubits — in theorie en in eerste experimenten — een aanzienlijk hogere fysieke foutkans verdragen voordat foutcorrectie faalt, en dat met minder overhead. Onderzoekers hopen zo sneller bij bruikbare logische qubits uit te komen, met minder fysieke qubits, minder gekoelde bedrading en minder rekentijd verspild aan foutcorrectie in plaats van aan echte berekeningen. Het is dus geen doel op zich, maar een manier om de weg naar fouttolerante, praktisch bruikbare kwantumcomputers te verkorten.

Voorbeelden uit de praktijk

Het idee van erasure-conversie in qubits werd rond 2022 door meerdere groepen tegelijk experimenteel aangetoond, met name in twee hoofdrichtingen.

Bij neutrale atomen demonstreerde de groep van natuurkundige Jeff Thompson aan Princeton University in 2022-2023 erasure-conversie met ytterbium-171-atomen, gevangen in optische pincetten (laserlicht dat individuele atomen op hun plek houdt). Vrijwel gelijktijdig liet de groep van Mikhail Lukin aan Harvard University, in samenwerking met het spin-offbedrijf QuEra Computing, vergelijkbare resultaten zien met rubidium-atomen in Rydberg-toestand (een sterk aangeslagen atomaire toestand die gebruikt wordt om qubits met elkaar te laten wisselwerken). Deze aanpak speelde ook een rol in de grotere logische-qubitdemonstraties van het Harvard/QuEra/MIT-samenwerkingsverband in 2023, waarbij tientallen logische qubits tegelijk werden gerealiseerd.

Bij supergeleidende schakelingen, de technologie achter chips van onder meer Google en IBM, publiceerde het AWS Center for Quantum Computing (onderdeel van Amazon) in 2022-2023 onderzoek naar dual-rail erasure qubits, met als doel de bekende levensduurlimiet (T1) van supergeleidende qubits te omzeilen. Onderzoekers van Yale University, verbonden aan de groep van Robert Schoelkopf, lieten met een vergelijkbare dual-rail-aanpak in supergeleidende microgolfholtes zien dat het merendeel van de fotonverliesfouten als wisfout te detecteren is.

Daarnaast experimenteert het Canadese bedrijf Nord Quantique met zogeheten 'cat qubits' (bosonische qubits opgeslagen in de trillingstoestanden van microgolfholtes) waarbij verliesfouten eveneens als erasure worden behandeld, als onderdeel van hun aanpak om met minder fysieke qubits foutcorrectie te bereiken.

Hoe ver is de techniek?

Erasure qubits zijn nog volop in het laboratoriumstadium. De basisprincipe — dat een deel van de fouten detecteerbaar is zonder de rekenkundige informatie te verstoren — is inmiddels op meerdere platforms experimenteel bevestigd, en de kwaliteit van individuele erasure-qubits en -poorten (rekenkundige operaties) is de afgelopen jaren gestaag verbeterd. Ook zijn er al kleinschalige demonstraties waarbij erasure-informatie daadwerkelijk werd gebruikt om foutcorrectiecodes te ondersteunen.

Toch blijven er forse obstakels. Niet alle fouten zijn om te zetten in wisfouten: sommige foutmechanismen, zoals bepaalde faseruis of onvolkomenheden in de bedieningslasers en -microgolven, laten zich niet altijd netjes 'aankondigen' en gedragen zich nog als de klassieke, onzichtbare fouten. De praktische winst hangt dus sterk af van welk deel van de fouten daadwerkelijk als erasure optreedt, en dat percentage varieert per platform en per experiment. Daarnaast moeten de detectiemetingen zelf snel en betrouwbaar genoeg zijn om niet zelf weer nieuwe fouten te introduceren, en moet dit allemaal opschalen naar honderden of duizenden qubits tegelijk, wat tot dusver alleen in beperkte vorm is aangetoond. Onafhankelijke experts zijn voorzichtig positief: erasure-conversie wordt gezien als een veelbelovende aanvulling op, niet een vervanging van, bestaande foutcorrectiestrategieën.

Wie werken eraan?

Toonaangevend academisch onderzoek komt van Princeton University (groep Jeff Thompson, neutrale atomen), Harvard University (groep Mikhail Lukin, Rydberg-atomen) en Yale University (groep Robert Schoelkopf en collega's, supergeleidende dual-rail-qubits). Op bedrijfsniveau investeren het AWS Center for Quantum Computing (Amazon), QuEra Computing (voortgekomen uit Harvard/MIT-onderzoek) en het Canadese Nord Quantique in deze aanpak. Ook grotere spelers als Google Quantum AI en IBM volgen erasure-achtige detectiestrategieën in hun bredere foutcorrectie-onderzoek, al ligt hun hoofdfocus vooralsnog op andere codes. Het onderzoek wordt daarnaast breder ondersteund vanuit Amerikaanse programma's zoals het National Quantum Initiative, en vergelijkbare nationale kwantumstrategieën in de Europese Unie en China stimuleren onderzoek naar foutbestendige qubitontwerpen in bredere zin.

Verder lezen

• Nature — wetenschappelijk tijdschrift met de oorspronkelijke publicaties over erasure-conversie bij neutrale atomen.
• arXiv — preprint-archief waar veel van het onderliggende natuurkundig onderzoek vrij toegankelijk is gepubliceerd.
• QuEra Computing — bedrijf dat neutrale-atoomkwantumcomputers met erasure-conversie ontwikkelt.
• AWS Center for Quantum Computing — onderzoeksgroep van Amazon naar onder meer dual-rail erasure qubits.
• Princeton University — instituut van de onderzoeksgroep die baanbrekend werk deed aan erasure-conversie met ytterbium-atomen.