Gerandomiseerde compilatie: hoe je kwantumfouten "tam" maakt
Stel je een oude drukpers voor die een subtiele mankement heeft: elke letter valt net iets te ver naar rechts. Op één pagina is dat nauwelijks te zien, maar druk je er honderd bladzijden achter elkaar mee af waarbij de tekst van elke pagina op de vorige voortbouwt, dan schuift alles steeds verder scheef totdat de tekst onleesbaar wordt. Dat is het probleem van een systematische fout: ze is klein, maar ze stapelt zich voorspelbaar op. Zou de pers in plaats daarvan elke keer een ander, willekeurig klein foutje maken, dan ontstaat er ruis in plaats van een gestage verschuiving — vervelend, maar geen ramp, en bovendien statistisch te middelen en te corrigeren.
Gerandomiseerde compilatie (in het Engels "randomized compiling") is een techniek uit de kwantumcomputing die precies dit principe toepast op kwantumbits, of qubits: de kleinste rekeneenheden van een kwantumcomputer. Kwantumhardware maakt voortdurend kleine, systematische reken- en besturingsfouten. Door willekeurige, zorgvuldig gekozen extra bewerkingen in een rekenprogramma (een "schakeling" of circuit) te verwerken, zet gerandomiseerde compilatie die voorspelbare fouten om in willekeurige ruis. Dat klinkt paradoxaal — je voegt willekeurigheid toe om iets beter beheersbaar te maken — maar het is precies wat onderzoekers nodig hebben om de betrouwbaarheid van huidige, nog foutgevoelige kwantumcomputers te verbeteren.
Wat is het precies?
Een kwantumcomputer voert berekeningen uit met poorten ("gates"): kleine bewerkingen die de toestand van een of meer qubits veranderen, vergelijkbaar met de logische poorten (AND, OR, NOT) in een klassieke computerchip. In de praktijk voert de hardware die poorten nooit perfect uit. Er ontstaat ruis, en die ruis is grofweg in twee soorten te verdelen.
De eerste soort heet coherente ruis: een systematische, herhaalbare afwijking, bijvoorbeeld een laserpuls die een qubit net iets te ver of te weinig laat draaien. Zoals bij de drukpers stapelt dit soort fout zich op naarmate een berekening meer poorten bevat, en kan de fout zelfs sneller groeien dan het aantal poorten zelf. De tweede soort heet stochastische (incoherente) ruis: willekeurige, ongecorreleerde afwijkingen die zich statistisch gedragen en daardoor voorspelbaarder en makkelijker te modelleren zijn.
Gerandomiseerde compilatie grijpt in vóór en na bepaalde poorten in een schakeling. Er worden willekeurig gekozen "Pauli-operaties" — simpele, standaard kwantumbewerkingen — ingevoegd, zodanig gekozen dat de combinatie van deze extra operaties met de oorspronkelijke poort wiskundig hetzelfde nettoresultaat geeft als de poort alleen. Voor een ideale, foutloze computer verandert er dus niets aan de uitkomst. Maar omdat de werkelijke, licht gebrekkige hardware de poort in combinatie met steeds andere willekeurige buurbewerkingen uitvoert, verandert de aard van de fout bij elke herhaling. Voer je de berekening vervolgens veel keren uit met telkens een andere willekeurige variant (dit heet ook wel "twirling", letterlijk "ronddraaien") en middel je de resultaten, dan gedraagt de opgetelde fout zich statistisch als eenvoudige, willekeurige ruis in plaats van als een systematische afwijking. Dat is makkelijker te karakteriseren, te onderdrukken of achteraf te corrigeren met bestaande foutmitigerende technieken.
Belangrijk is dat gerandomiseerde compilatie geen foutcorrectie in de klassieke zin is: er wordt geen fout "weggehaald". De techniek verandert alleen het karakter van de fout, van iets onvoorspelbaars-maar-stapelbaar naar iets willekeurig-maar-beheersbaar.
Wat wil men ermee bereiken?
Huidige kwantumcomputers behoren tot wat onderzoekers de NISQ-generatie noemen: "noisy intermediate-scale quantum", oftewel ruizige kwantumcomputers van beperkte omvang, zonder de ingebouwde, robuuste foutcorrectie die grote, betrouwbare kwantumcomputers ooit zullen hebben. Zolang die volledige foutcorrectie nog niet praktisch haalbaar is — ze vereist vermoedelijk duizenden extra qubits per "logische" rekenqubit — moeten onderzoekers het doen met foutonderdrukking en foutmitigatie: goedkopere technieken die de gevolgen van ruis verminderen zonder de ruis volledig te elimineren.
Het doel van gerandomiseerde compilatie is tweeledig. Ten eerste maakt het de prestaties van een kwantumcomputer voorspelbaarder: als fouten zich willekeurig gedragen in plaats van systematisch op te stapelen, kunnen langere en complexere berekeningen betrouwbaarder worden uitgevoerd voordat de uitkomst in ruis verdrinkt. Ten tweede maakt het andere technieken effectiever. Methoden als foutmitigatie door extrapolatie, of het benchmarken en karakteriseren van hoe goed een kwantumchip presteert, gaan vaak uit van het wiskundige model dat fouten willekeurig zijn. Coherente fouten ondermijnen die aannames; gerandomiseerde compilatie "repareert" als het ware die aanname door de werkelijkheid dichter bij het model te brengen.
Voorbeelden uit de praktijk
De theoretische basis werd gelegd door natuurkundigen Joel Wallman en Joseph Emerson, verbonden aan het Institute for Quantum Computing van de University of Waterloo in Canada. Hun werk over het "tailoren" (op maat maken) van ruis via gerandomiseerde compilatie, rond 2016 gepubliceerd, geldt als het startpunt van deze onderzoekslijn.
Enkele jaren later volgde een experimentele demonstratie op echte, supergeleidende kwantumchips, uitgevoerd door onderzoekers verbonden aan het Advanced Quantum Testbed van het Lawrence Berkeley National Laboratory in de Verenigde Staten (onder wie Akel Hashim en collega's). Zij lieten zien dat gerandomiseerde compilatie op werkende hardware daadwerkelijk coherente fouten omzet in beter beheersbare, stochastische ruis.
Inmiddels is de techniek doorgedrongen tot de software-toolkits waarmee ontwikkelaars kwantumcomputers aansturen. IBM heeft in zijn Qiskit-platform en zijn Qiskit Runtime-dienst vormen van "Pauli twirling" en gerelateerde foutonderdrukkende technieken ingebouwd, die gebruikers desgewenst kunnen inschakelen wanneer ze berekeningen op IBM's cloud-kwantumcomputers draaien.
Het Australische bedrijf Q-CTRL, gespecialiseerd in kwantumbesturingstechnologie, biedt commerciële software aan die ruisonderdrukkende technieken zoals dynamische ontkoppeling en gerandomiseerde compilatie combineert, bedoeld om de prestaties van kwantumhardware van verschillende fabrikanten te verbeteren zonder dat gebruikers de onderliggende natuurkunde zelf hoeven te begrijpen.
Ook onderzoeksgroepen rond andere hardwareplatforms, zoals supergeleidende chips en ionval-gebaseerde kwantumcomputers, passen varianten van deze aanpak toe of onderzoeken ze, al verschilt de precieze implementatie per type hardware.
Hoe ver is de techniek?
Gerandomiseerde compilatie is geen speculatief toekomstidee meer, maar een techniek die haar theoretische grondslag inmiddels ruim tien jaar geleden kreeg en die de afgelopen jaren de sprong heeft gemaakt van laboratoriumdemonstratie naar praktisch gereedschap in bestaande software-ecosystemen. Dat is relatief snel voor een subveld van de kwantumtechnologie.
Toch kent de aanpak duidelijke grenzen. Ze pakt vooral coherente, systematische fouten aan; ze doet weinig tegen andere belangrijke foutbronnen, zoals decoherentie (het geleidelijk "vervagen" van de kwantumtoestand van een qubit door interactie met de omgeving) of verlies van qubits tijdens een meting. De techniek vereist bovendien dat een berekening meerdere keren wordt herhaald met verschillende willekeurige varianten, wat extra rekentijd en dus extra kosten met zich meebrengt — een reële overhead op hardware die toch al schaars en duur is.
Een andere onzekerheid is hoe goed de techniek opschaalt naarmate kwantumcomputers groter worden en foutcorrectie geleidelijk de plaats inneemt van foutmitigatie. Onderzoekers zijn het er niet over eens hoe lang die overgangsperiode duurt, en of technieken als gerandomiseerde compilatie dan overbodig worden of juist een blijvende rol spelen als aanvulling op formele foutcorrectiecodes. Voorlopig blijft het vooral een instrument voor de huidige, nog beperkte generatie kwantumcomputers.
Wie werken eraan?
Het theoretische fundament komt uit Canada, via het Institute for Quantum Computing aan de University of Waterloo. Op experimenteel vlak speelt het Amerikaanse Department of Energy een rol, onder meer via het Advanced Quantum Testbed bij Lawrence Berkeley National Laboratory. Onder de grote technologiebedrijven met kwantumprogramma's die met dit type ruisonderdrukking werken, vallen IBM (via zijn Qiskit-softwareplatform en kwantumcloud-diensten) en Google Quantum AI, dat vergelijkbare noise-tailoring- en twirling-technieken toepast op zijn supergeleidende processoren. Ook kleinere, gespecialiseerde spelers zijn actief: het Australische Q-CTRL richt zich commercieel op kwantumbesturings- en foutonderdrukkingssoftware, terwijl hardwarebedrijven als Rigetti Computing, IonQ en Quantinuum in hun onderzoekspublicaties en documentatie vergelijkbare of verwante ruisbeheersingstechnieken beschrijven. Daarnaast dragen universitaire onderzoeksgroepen wereldwijd, onder meer in de Verenigde Staten, Canada, Australië en delen van Europa, bij aan verdere verfijning van de theorie en aan nieuwe experimentele toepassingen.