Fouttolerante kwantumcomputer
Een fouttolerante kwantumcomputer is een kwantumcomputer die betrouwbaar kan blijven rekenen, ook al maken de onderliggende bouwstenen voortdurend fouten. Dat klinkt tegenstrijdig, maar is precies het punt: de allerkleinste schakelaars van een kwantumcomputer, de zogeheten qubits, zijn extreem gevoelig. Trillingen, warmte, straling of zelfs een verdwaald foton kunnen een qubit al van slag brengen. Een fouttolerant ontwerp vangt die fouten op voordat ze de uitkomst van een berekening verpesten, ongeveer zoals een cd-speler krassen op een schijfje kan compenseren zonder dat je de muziek hoort haperen.
Het verschil met een gewone, foutgevoelige kwantumcomputer is enorm. Vandaag de dag bestaande kwantumchips kunnen wel indrukwekkende demonstraties uitvoeren, maar hun berekeningen raken al na een fractie van een seconde verstoord door ruis. Een fouttolerante machine bundelt tientallen tot duizenden van die wankele fysieke qubits tot één stabiele "logische qubit", die veel langer betrouwbaar blijft. Pas met zulke logische qubits wordt het mogelijk om de echt grote beloftes van kwantumcomputing waar te maken, zoals het simuleren van nieuwe medicijnen of materialen. Zover is het nog niet: dit is een van de grootste technische uitdagingen in de natuurkunde en techniek van dit moment.
Wat is het precies?
Een qubit is de kwantumversie van een bit. Waar een gewone computerbit een 0 of een 1 is, kan een qubit dankzij kwantummechanica in een mengeling van beide tegelijk verkeren. Dat maakt kwantumcomputers in theorie geschikt voor bepaalde berekeningen die klassieke computers nooit zouden afkrijgen. Het probleem is decoherentie: het verschijnsel waarbij een qubit zijn broze kwantumtoestand verliest door contact met de omgeving. Al na microseconden tot milliseconden is de informatie in een qubit onbruikbaar geworden.
Klassieke computers lossen fouten op met simpele foutcorrectie, bijvoorbeeld door een bit drie keer op te slaan en de meerderheid te laten beslissen. Bij qubits kan dat niet zomaar: je mag een kwantumtoestand niet zomaar aflezen of kopiëren zonder hem te verstoren (dit staat bekend als de "no-cloning"-eigenschap). Onderzoekers gebruiken daarom quantum error correction: ze verdelen de informatie van één logische qubit over veel fysieke qubits, gerangschikt volgens een wiskundig patroon zoals de zogeheten surface code. Door voortdurend indirecte metingen te doen die alleen iets zeggen over fouten, en niet over de eigenlijke rekentoestand, kunnen fouten worden opgespoord en gecorrigeerd zonder de berekening te verstoren.
Cruciaal is de zogeheten drempelstelling (threshold theorem). Die zegt dat foutcorrectie alleen werkt als de foutkans per handeling op de fysieke qubits onder een bepaalde drempel blijft. Zit je daaronder, dan geldt: hoe meer fysieke qubits je aan één logische qubit toevoegt, hoe kleiner de kans op een fout in de logische qubit wordt. Zit je erboven, dan maakt meer foutcorrectie de zaak juist erger. De afgelopen jaren is een belangrijke mijlpaal bereikt: verschillende laboratoria zijn er daadwerkelijk in geslaagd om onder die drempel te opereren, zodat opschalen nu ook echt loont.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is een kwantumcomputer die lang genoeg foutloos genoeg rekent om nuttige, grootschalige problemen op te lossen. Denk aan het simuleren van chemische reacties op atomair niveau, waardoor onderzoekers nieuwe batterijmaterialen, katalysatoren of medicijnen sneller zouden kunnen ontwerpen. Ook optimalisatieproblemen in logistiek en financiën, en bepaalde vormen van cryptografie, staan op het lijstje van mogelijke toepassingen.
Zonder fouttolerantie blijven kwantumcomputers beperkt tot kleine, ruisgevoelige experimenten die vaak nog moeilijk aantoonbaar nuttiger zijn dan een gewone supercomputer. Fouttolerantie is dus niet zomaar een technisch detail, maar de sleutel die het veld moet laten overstappen van interessante natuurkunde naar bruikbare technologie. Het is ook de reden waarom overheden en techbedrijven wereldwijd miljarden investeren: wie als eerste een werkende fouttolerante kwantumcomputer bouwt, krijgt in theorie toegang tot rekenkracht die met klassieke chips nooit haalbaar is voor specifieke taken.
Voorbeelden uit de praktijk
Google presenteerde in december 2024 zijn chip Willow, met 105 supergeleidende qubits. Het bedrijf liet zien dat de logische foutkans daadwerkelijk afneemt naarmate de foutcorrigerende code groter wordt, oftewel werken onder de drempelwaarde. Dat is een belangrijke bevestiging van de theorie in de praktijk, al is dit nog geen volwaardige fouttolerante computer die nuttige berekeningen uitvoert.
IBM werkt aan een routekaart met tussenstappen richting het systeem "Starling", dat het bedrijf rond 2029 fouttolerant wil maken met naar eigen zeggen honderden logische qubits. IBM zet daarbij in op zogeheten qLDPC-codes (quantum low-density parity check), een alternatief voor de surface code dat minder fysieke qubits per logische qubit zou vergen.
Het Amerikaanse bedrijf Quantinuum, dat met gevangen ionen werkt in plaats van supergeleidende circuits, meldde in 2024 samen met Microsoft logische qubits te hebben gedraaid met een foutkans die duidelijk lager lag dan die van de onderliggende fysieke qubits, een mijlpaal die "reëel voordeel van foutcorrectie" wordt genoemd.
Onderzoekers van Harvard, QuEra en MIT publiceerden eind 2023 in Nature een experiment waarin 48 logische qubits werden gerealiseerd met neutrale atomen die met laserpincetten (optical tweezers) op hun plaats worden gehouden, een andere veelbelovende hardwareroute.
Het bedrijf PsiQuantum kiest voor lichtdeeltjes (fotonen) als qubit en bouwt, met steun van de Australische en de Amerikaanse deelstaatoverheid van Illinois, fabrieken in respectievelijk Brisbane en Chicago om op termijn een fouttolerante fotonische kwantumcomputer te produceren.
Vermeldenswaard, maar omstreden, is de aankondiging van Microsoft begin 2025 van een chip genaamd Majorana 1, gebaseerd op zogeheten topologische qubits die van nature beter tegen fouten bestand zouden zijn. Verschillende natuurkundigen buiten Microsoft hebben publiekelijk vraagtekens gezet bij het bewijs voor deze claim, mede omdat een eerdere, vergelijkbare claim uit 2021 later moest worden teruggetrokken. Dit onderdeel van het veld verdient dus nog het voordeel van de twijfel.
Hoe ver is de techniek?
De sector heeft de afgelopen twee tot drie jaar een belangrijke drempel genomen: verschillende platformen (supergeleidende circuits, gevangen ionen, neutrale atomen) hebben laten zien dat foutcorrectie daadwerkelijk werkt zoals de theorie voorspelt, in plaats van dat meer qubits alleen maar meer fouten opleveren. Dat is een noodzakelijke, maar niet voldoende stap.
Wat nog ontbreekt, is schaal. Om één stabiele logische qubit te maken zijn met de meest gebruikte codes al gauw honderden tot duizenden fysieke qubits nodig. Een nuttige fouttolerante computer heeft er waarschijnlijk honderden logische qubits nodig, dus in potentie honderdduizenden fysieke qubits. Huidige machines zitten in de orde van honderden fysieke qubits. Er is dus nog een opschalingsfactor van duizenden nodig, terwijl ook de bekabeling, koeling en besturingselektronica moeten meegroeien zonder dat de kosten en foutgevoeligheid exploderen.
De meeste experts in het veld noemen een tijdshorizon van eind jaren 2020 tot ergens in de jaren 2030 voor de eerste generatie echt bruikbare, fouttolerante kwantumcomputers, met nadrukkelijk de kanttekening dat dit soort voorspellingen in het verleden vaker te optimistisch zijn gebleken. Onafhankelijke, herhaalbare demonstraties van nuttige toepassingen op een fouttolerante machine zijn er tot op heden nog niet.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn Google (Quantum AI), IBM, Microsoft, Amazon (via AWS), Quantinuum, PsiQuantum, Rigetti, IonQ en QuEra de belangrijkste bedrijven, vaak in nauwe samenwerking met universiteiten als Harvard, MIT en Caltech en met financiering vanuit onder meer het Amerikaanse ministerie van Energie.
China investeert eveneens fors, met de University of Science and Technology of China (USTC) in Hefei als centrum van onderzoek naar zowel supergeleidende chips (de Zuchongzhi-serie) als fotonische systemen (de Jiuzhang-serie), aangevuld met staatsbedrijven en de Chinese Academie van Wetenschappen.
Europa draagt via het EU Quantum Flagship-programma bij, met onder meer het Nederlandse QuTech in Delft (een samenwerking tussen de TU Delft en onderzoeksinstituut TNO) als vooraanstaand centrum voor onder andere spin-qubits en kwantumnetwerken. Ook Frankrijk (Pasqal, gespecialiseerd in neutrale atomen), Duitsland en het Verenigd Koninkrijk (onder meer via Oxford Ionics en het National Quantum Computing Centre) leveren belangrijke bijdragen.