Foutmitigatie: hoe kwantumcomputers ondanks ruis toch bruikbare antwoorden geven
Kwantumcomputers zijn extreem gevoelige machines. Ze rekenen met qubits, de kwantumversie van een gewoon computerbit, die dankzij kwantummechanische eigenschappen tegelijkertijd meerdere waarden kunnen aannemen. Die gevoeligheid is precies waar hun rekenkracht vandaan komt, maar ze maakt de qubits ook extreem kwetsbaar voor storingen: trillingen, warmte, elektromagnetische straling of gewoon onvolkomenheden in de hardware verstoren de berekening voortdurend. Foutmitigatie is de verzamelnaam voor een set slimme trucs om ondanks die storingen toch een betrouwbaar antwoord uit een kwantumcomputer te krijgen.
Een vergelijking helpt. Stel je een orkest voor dat in een zaal speelt waar constant kleine trillingen door de vloer gaan, waardoor elke muzikant net iets vals speelt. Je kunt de vloer niet stilzetten en de muzikanten niet vervangen door robots die nooit fout spelen — dat zou te duur en te ingewikkeld zijn. Wat je wel kunt doen, is de uitvoering meerdere keren opnemen bij verschillende trillingsniveaus, en wiskundig berekenen hoe de muziek geklonken zou hebben zonder trilling. Zoiets doet foutmitigatie met een kwantumberekening: niet de fouten voorkomen, maar met slimme statistiek terugrekenen naar het resultaat dat je zonder fouten zou hebben gekregen.
Wat is het precies?
Kwantumfouten ontstaan doordat qubits hun kwantumtoestand — de informatie die ze dragen — voortdurend dreigen te verliezen aan hun omgeving, een proces dat decoherentie heet. Ook de bewerkingen die je op qubits uitvoert (quantumgates) zijn nooit perfect nauwkeurig. Het resultaat is dat de uitkomst van een berekening op een echte kwantumchip altijd een beetje vervuild is met ruis.
De meest gebruikte foutmitigatietechniek heet zero-noise extrapolation (extrapolatie naar nulruis). Het idee is verrassend eenvoudig: je voert dezelfde berekening meerdere keren uit, maar telkens met kunstmatig verhoogde ruis — bijvoorbeeld door bewerkingen te herhalen of te vertragen. Vervolgens meet je hoe de uitkomst verandert naarmate de ruis toeneemt, en trek je die lijn wiskundig door naar het punt waar de ruis nul zou zijn. Dat punt kun je in de praktijk nooit echt bereiken, maar je kunt het wel benaderen door terug te rekenen.
Een tweede belangrijke techniek is probabilistic error cancellation (kansgebaseerde foutopheffing). Hierbij karakteriseert men eerst heel precies welk type fouten een specifieke chip maakt. Met die kennis wordt elke berekening vervangen door een reeks net iets andere berekeningen, die statistisch gewogen worden zodat de fouten elkaar gemiddeld opheffen. Dit werkt, maar vereist veel herhalingen en een zeer nauwkeurige foutkarakterisering vooraf.
Daarnaast bestaan er eenvoudigere methoden, zoals correctie van uitleesfouten (de fout die ontstaat bij het aflezen van de uiteindelijke qubit-toestand) en symmetrieverificatie, waarbij je resultaten die een bekende natuurkundige symmetrie schenden gewoon weggooit omdat ze duidelijk fout moeten zijn. Al deze technieken werken achteraf, in de analyse van de meetresultaten — ze grijpen niet in tijdens de berekening zelf.
Wat wil men ermee bereiken?
Het doel is een tussenoplossing voor een fundamenteel probleem. De ideale oplossing voor kwantumfouten heet kwantumfoutcorrectie: daarbij verdeel je de informatie van één betrouwbare “logische” qubit over tientallen tot honderden fysieke qubits, zodat fouten actief tijdens de berekening kunnen worden opgespoord en hersteld. Dat werkt in theorie goed, maar vereist voorlopig veel meer qubits dan de huidige machines hebben.
Foutmitigatie probeert met de qubits die er nú al zijn toch bruikbare resultaten te halen, zonder die grote overhead. Dit is vooral relevant in wat natuurkundige John Preskill in 2018 het NISQ-tijdperk noemde: Noisy Intermediate-Scale Quantum, ofwel het huidige tijdperk van kwantumcomputers met een middelgroot aantal (tientallen tot een paar duizend) qubits die nog te ruizig zijn voor volledige foutcorrectie. Het achterliggende doel is te laten zien dat kwantumcomputers al vóór het tijdperk van volledige foutcorrectie nuttige, betrouwbare berekeningen kunnen doen — en zo een brug te slaan naar de toekomst waarin foutcorrectie wel op grote schaal mogelijk is.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de grondleggende publicaties is die van Kristan Temme, Sergey Bravyi en Jay Gambetta van IBM, die in 2017 in het tijdschrift Physical Review Letters een methode beschreven voor foutmitigatie in ondiepe kwantumcircuits. Dit werk legde de wiskundige basis voor zowel zero-noise extrapolation als probabilistic error cancellation, en wordt nog altijd veel geciteerd.
Een bekend en veelbesproken voorbeeld is een publicatie van een IBM-team onder leiding van Youngseok Kim, die in 2023 in Nature verscheen onder de titel “Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance”. Op een 127-qubit-chip genaamd Eagle simuleerden de onderzoekers, met zero-noise extrapolation, het gedrag van een magnetisch materiaal (een zogeheten Ising-model) op een schaal die op dat moment lastig leek voor gewone computers om na te rekenen.
Belangrijk om eerlijk bij te vermelden: dat laatste punt bleek achteraf voorbarig. Verschillende onderzoeksgroepen lieten later zien dat verbeterde klassieke rekenmethoden, onder andere gebaseerd op zogeheten tensor-netwerken, dezelfde of zeer vergelijkbare resultaten konden reproduceren met een gewone computer. Het IBM-experiment blijft een belangrijke demonstratie van hoe ver foutmitigatie inmiddels reikt, maar de claim dat er hier sprake was van onmisbaar “kwantumvoordeel” hield geen stand. Het is een goed voorbeeld van hoe voorzichtig dit soort claims beoordeeld moeten worden.
Praktischer en minder omstreden is de integratie van foutmitigatie in software. IBM's programmeerplatform Qiskit bevat via Qiskit Runtime kant-en-klare opties voor zero-noise extrapolation en probabilistic error cancellation, die onderzoekers en bedrijven wereldwijd gebruiken wanneer ze berekeningen op IBM's kwantumhardware laten draaien — foutmitigatie is inmiddels dus geen experimenteel curiosum meer, maar onderdeel van standaardgereedschap.
Hoe ver is de techniek?
Foutmitigatie is een volwassen en actief onderzoeksveld dat inmiddels standaard wordt toegepast op vrijwel elke serieuze kwantumberekening die vandaag wordt uitgevoerd. De technieken zijn goed onderbouwd en breed beschikbaar in software.
Toch heeft foutmitigatie een fundamentele grens: hoe groter en dieper een kwantumcircuit wordt, hoe meer extra metingen en herhalingen nodig zijn om de ruis te compenseren — vaak groeit die kostenpost exponentieel mee met de omvang van de berekening. Dat betekent dat foutmitigatie goed werkt voor de relatief bescheiden berekeningen van vandaag, maar niet zal opschalen naar de grote, langdurige berekeningen die toekomstige toepassingen zoals het simuleren van complexe moleculen voor medicijnontwikkeling zouden vereisen. Voor dat soort schaal blijft echte kwantumfoutcorrectie, met logische qubits, op termijn noodzakelijk.
De meeste experts in het veld zien foutmitigatie daarom niet als eindstation, maar als overbruggingstechnologie: een manier om de komende jaren, tot volwaardige foutcorrectie praktisch haalbaar is, toch al zoveel mogelijk nuttige kwantumberekeningen te kunnen doen. Wanneer die overgang precies plaatsvindt, is onzeker en hangt af van hoe snel de hardwarekwaliteit van qubits blijft verbeteren.
Wie werken eraan?
IBM is met zijn Quantum-onderzoeksgroep en het Qiskit-platform een van de meest zichtbare spelers op het gebied van foutmitigatie, mede dankzij het grondleggende werk van onderzoekers als Kristan Temme en Jay Gambetta. Google Quantum AI werkt eveneens aan foutmitigatietechnieken naast zijn onderzoek naar volledige foutcorrectie.
Daarnaast zijn er gespecialiseerde bedrijven. Het Australische Q-CTRL, opgericht door natuurkundige Michael Biercuk (Universiteit van Sydney), levert software voor kwantumcontrole en foutonderdrukking die door meerdere hardwarebedrijven wordt gebruikt. Het Britse Riverlane uit Cambridge richt zich vooral op het verwante gebied van foutcorrectie-decoders. Andere hardwarebedrijven zoals Quantinuum (ontstaan uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum), IonQ en Rigetti Computing, allen gevestigd in de Verenigde Staten of het Verenigd Koninkrijk, passen foutmitigatie eveneens toe op hun eigen machines.
Op onderzoeksgebied speelt ook Nederland een rol: QuTech in Delft, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, doet fundamenteel onderzoek naar kwantumhardware en de betrouwbaarheid van qubits, een terrein dat nauw verwant is aan foutmitigatie en -correctie.