Gatefideliteit: hoe zuiver is een kwantumbewerking?
Stel je een pianist voor die een bepaalde noot moet spelen, maar door een trillende hand net iets naast de toets terechtkomt. Het resultaat klinkt bijna goed, maar niet helemaal. In een kwantumcomputer gebeurt iets vergelijkbaars met elke rekenstap: een quantumpoort (of gate) is een kleine bewerking op een of meer qubits, de kwantumversie van een bit. Gatefideliteit is het getal dat uitdrukt hoe zuiver zo'n bewerking wordt uitgevoerd: hoe dicht het werkelijke resultaat bij het theoretisch perfecte resultaat ligt, meestal uitgedrukt als percentage tussen 0 en 100 procent.
Waarom is dat zo belangrijk? Omdat kwantumcomputers duizenden of miljoenen van zulke poorten na elkaar uitvoeren om een berekening te voltooien. Net als bij het kinderspel 'stille post', waarbij een boodschap van oor tot oor wordt doorgefluisterd en steeds meer vervormt, stapelen kleine fouten in individuele poorten zich op tot de uitkomst van de hele berekening onbruikbaar wordt. Een gatefideliteit van 99 procent klinkt indrukwekkend, maar bij duizenden bewerkingen achter elkaar is dat verre van genoeg. Dit is een van de grootste technische hindernissen op weg naar bruikbare kwantumcomputers.
Wat is het precies?
Een klassieke computer rekent met bits die 0 of 1 zijn, en logische poorten (zoals AND of OR) die deze bits combineren. Een kwantumcomputer gebruikt qubits, die dankzij een eigenschap genaamd superpositie tegelijk iets van 0 én van 1 kunnen zijn, en die via verstrengeling (entanglement) onderling verbonden kunnen raken. Quantumpoorten zijn de bewerkingen die deze toestanden manipuleren: sommige werken op één qubit (bijvoorbeeld de qubit 'omdraaien'), andere op twee qubits tegelijk om verstrengeling te creëren.
In de praktijk wordt zo'n poort uitgevoerd met fysieke signalen: bij supergeleidende qubits zijn dat microgolfpulsen, bij qubits gemaakt van gevangen ionen zijn dat laserpulsen. Geen enkel signaal is perfect. Trillingen in de apparatuur, warmte, elektromagnetische ruis uit de omgeving en onvolkomenheden in het materiaal zorgen ervoor dat de qubit niet precies de bedoelde toestand bereikt. Dit verlies van kwantuminformatie door ongewenste interactie met de omgeving heet decoherentie.
Om te meten hoe goed een poort werkelijk presteert, gebruiken onderzoekers technieken als randomized benchmarking: ze voeren lange, willekeurige reeksen poorten uit die elkaar in theorie precies zouden moeten opheffen, en meten hoe ver de uitkomst afwijkt van de verwachte nulmeting. Google gebruikt voor grotere systemen een variant genaamd cross-entropy benchmarking. Deze methoden geven een gemiddelde fideliteit per poorttype, meestal apart voor één-qubitpoorten (doorgaans zeer betrouwbaar) en twee-qubitpoorten (technisch veel lastiger en foutgevoeliger, omdat twee qubits precies gesynchroniseerd moeten worden aangestuurd).
Wat wil men ermee bereiken?
De directe drijfveer is het bouwen van een foutgecorrigeerde kwantumcomputer. Een centraal wiskundig resultaat, de zogeheten drempelstelling (threshold theorem), zegt dat als de foutkans per poort onder een bepaalde grens blijft - voor de populaire 'oppervlaktecode' (surface code) ligt die drempel rond de 99 procent fideliteit - je door slim veel fysieke qubits te combineren tot één stabielere 'logische qubit' de resterende fouten exponentieel kunt onderdrukken. Blijf je boven die drempel, dan werkt dit trucje averechts en stapelen fouten juist op naarmate je het systeem groter maakt.
Hogere gatefideliteit betekent dus minder fysieke qubits nodig per betrouwbare logische qubit, wat het hele systeem compacter, goedkoper en sneller schaalbaar maakt. Zolang die drempel niet ruim gehaald wordt, blijven kwantumcomputers steken in wat natuurkundige John Preskill in 2018 de NISQ-periode noemde: 'noisy intermediate-scale quantum', ofwel ruizige kwantumsystemen van beperkte omvang zonder volledige foutcorrectie. Het uiteindelijke doel is een machine die betrouwbaar genoeg is om praktisch nuttige algoritmes te draaien, bijvoorbeeld voor het simuleren van moleculen in de scheikunde en materiaalkunde, of voor het kraken van bepaalde vormen van encryptie via het algoritme van Shor.
Voorbeelden uit de praktijk
Google Sycamore (2019): met dit 53-qubit supergeleidende chip claimde Google 'kwantumsupremie', ofwel een berekening die sneller ging dan op een klassieke supercomputer haalbaar zou zijn. De tweequbitpoorten haalden daarbij een fideliteit van ongeveer 99,4 procent, net genoeg om de proef te laten slagen.
Google Willow (december 2024): met deze opvolger liet Google voor het eerst overtuigend zien dat foutcorrectie boven de drempel werkt zoals de theorie voorspelt: naarmate het team de oppervlaktecode groter maakte (meer fysieke qubits per logische qubit), daalde de foutkans exponentieel in plaats van te stijgen. Een belangrijke mijlpaal, al blijft het een experiment op kleine schaal en nog geen bruikbare algemene computer.
IonQ en Quantinuum: bedrijven die met gevangen-ionqubits werken, rapporteren doorgaans de hoogste gatefideliteiten van de sector, met tweequbitpoorten die in gepubliceerde resultaten boven de 99,9 procent uitkomen. Quantinuum (ontstaan in 2021 uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum) demonstreerde in 2023 en 2024 herhaaldelijk logische qubits met actieve, real-time foutcorrectie op hun H-serie systemen.
IBM: met chips als Heron (2023) verlegde IBM de nadruk van puur qubit-aantal naar het gelijktijdig verbeteren van gatefideliteit, als onderdeel van hun publieke roadmap richting foutgecorrigeerde systemen rond het einde van dit decennium.
QuTech (Delft): het Nederlandse onderzoeksinstituut werkt onder meer aan qubits gemaakt van silicium-spins, een aanpak die potentieel goed te combineren is met bestaande chipfabricage, maar waarbij het behalen van hoge tweequbit-fideliteiten technisch nog een actief onderzoeksterrein is.
Hoe ver is de techniek?
Over de hele linie zijn gatefideliteiten de afgelopen tien tot vijftien jaar gestaag verbeterd, met foutkansen die ongeveer elke paar jaar met een factor tien afnamen. Toch verschilt het beeld sterk per technologie: gevangen ionen bereiken doorgaans de hoogste fideliteiten maar zijn trager in bewerkingssnelheid, terwijl supergeleidende qubits sneller schakelen maar doorgaans iets lager scoren op fideliteit. Exacte cijfers verschuiven met bijna elke nieuwe publicatie en zijn afhankelijk van de gebruikte meetmethode, dus vergelijkingen tussen platforms moeten met enige voorzichtigheid worden gelezen.
De doorbraak van Willow in 2024 toonde voor het eerst aan dat 'onder de drempel' werken echt mogelijk is, maar de weg naar een grote, algemeen bruikbare foutgecorrigeerde computer is nog lang. Een belangrijk obstakel is de overhead: op dit moment zijn er, afhankelijk van de gewenste betrouwbaarheid, nog honderden tot duizenden fysieke qubits nodig om één stabiele logische qubit te maken. Ook wordt het lastiger om hoge fideliteit vast te houden naarmate systemen groeien, doordat naburige qubits elkaar via ongewenste signalen (crosstalk) kunnen beïnvloeden en materiaaldefecten op chipniveau (zogeheten two-level systems) lastig te elimineren blijken. Serieuze schattingen voor wanneer een volwaardige, foutgecorrigeerde kwantumcomputer met praktisch nut beschikbaar is, lopen uiteen van pakweg vijf tot ruim tien jaar; niemand in het veld durft hier met zekerheid een datum op te plakken.
Wie werken eraan?
Op bedrijfsniveau lopen Google (Quantum AI), IBM, IonQ en Quantinuum voorop met gepubliceerde fideliteitsresultaten, met Rigetti, Intel en Microsoft (dat een andere, nog experimentele route via zogeheten topologische qubits verkent) als andere grote spelers. Voor andere qubittypes zijn PsiQuantum (foton-gebaseerd) en Pasqal en QuEra (beide met neutrale atomen) relevante namen.
Op onderzoeksinstituutniveau spelen QuTech (een samenwerking tussen TU Delft en TNO, Nederland), ETH Zürich, MIT, Caltech en de universiteiten van Innsbruck en Maryland (beide met een lange traditie in gevangen-ionexperimenten) een leidende rol. Landen en overheidsprogramma's die fors investeren zijn de Verenigde Staten (National Quantum Initiative), de Europese Unie (Quantum Flagship, met Quantum Delta NL als Nederlands zwaartepunt) en China, waar de University of Science and Technology of China met projecten als Zuchongzhi eigen supergeleidende kwantumchips ontwikkelt.