Logische qubit: hoe kwantumcomputers leren om hun eigen fouten te herstellen
Een logische qubit is een kwantumbit die is opgebouwd uit meerdere gewone, foutgevoelige qubits en die daardoor veel betrouwbaarder rekenwerk kan doen. Waar een losse qubit al bij de geringste verstoring – een trilling, een stukje warmte, een stray magneetveldje – zijn kwantuminformatie kan verliezen, wordt bij een logische qubit die informatie verdeeld over tientallen tot honderden qubits tegelijk. Gaat er ergens iets mis, dan valt dat te herkennen en te herstellen zonder dat de eigenlijke berekening verloren gaat.
Een vergelijking: stel dat je een belangrijke boodschap moet doorgeven via een lange rij mensen die elkaar iets influisteren, zoals bij het kinderspel 'telefoontje'. Eén foutje in de keten en de boodschap komt vervormd aan. Zou je dezelfde boodschap nu tegelijk via tien verschillende rijen laten doorfluisteren, en aan het einde de uitkomsten met elkaar vergelijken, dan valt een fout in één rij meteen op en kun je die corrigeren met de andere negen als referentie. Zoiets doet een logische qubit: de kwetsbare informatie van één 'echte' qubit wordt over veel qubits verspreid, zodat fouten opvallen en herstelbaar zijn voordat ze de uitkomst verpesten.
Wat is het precies?
Een gewone qubit – een fysieke qubit – is het basisbouwsteentje van een kwantumcomputer, vergelijkbaar met een bit in een klassieke computer, maar dan met kwantumeigenschappen zoals superpositie. Fysieke qubits zijn extreem gevoelig: al na fracties van een seconde raakt hun toestand verstoord door warmte, straling of onvolkomenheden in de apparatuur. Dat heet decoherentie, en het is al decennia het grootste obstakel voor bruikbare kwantumcomputers.
Klassieke computers lossen fouten op met simpele redundantie: sla een bit driemaal op en neem de meerderheid. Bij qubits kan dat niet zomaar, want het meten van een kwantumtoestand verandert of vernietigt die toestand meestal (dat heet het meetprobleem). De oplossing heet kwantumfoutcorrectie: een wiskundig schema, een code, dat de informatie van één logische qubit verspreidt over veel fysieke qubits op zo'n manier dat je indirect kunt meten of er een fout is opgetreden – en waar – zonder de onderliggende informatie zelf te bekijken.
De meest gebruikte code heet de surface code. Fysieke qubits liggen hierbij in een rooster; een deel ervan draagt de eigenlijke informatie, een ander deel ('meetqubits') controleert voortdurend of naburige qubits nog consistent zijn. Wijkt iets af, dan wijst dat patroon van afwijkingen ('syndromen') aan waar de fout zit, waarna die gecorrigeerd kan worden – vaak zelfs zonder te weten wát er precies mis ging, alleen dát en waar.
Cruciaal is de drempelstelling (threshold theorem): als de foutkans van de individuele fysieke qubits en hun poorten onder een bepaalde drempel blijft, dan geldt dat een grotere code (meer fysieke qubits per logische qubit) de kans op een resterende, onherstelde fout exponentieel kleiner maakt. Onder die drempel werkt opschalen dus in je voordeel; erboven werkt meer qubits juist averechts, omdat je dan vooral meer fouten toevoegt. Precies dát kantelpunt – 'onder de drempel' terechtkomen – is de heilige graal waar de sector al jaren naartoe werkt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is een foutbestendige kwantumcomputer (fault-tolerant): een machine die lang genoeg foutloos genoeg kan rekenen om problemen op te lossen die voor klassieke supercomputers onhaalbaar zijn. Denk aan het simuleren van complexe moleculen voor medicijn- of batterijontwikkeling, het kraken of juist bouwen van nieuwe cryptografie, of het optimaliseren van logistieke en financiële processen.
Huidige kwantumchips, met tientallen tot enkele honderden fysieke qubits, kunnen wel kleine demonstraties draaien, maar de foutkansen zijn te hoog om lange, betekenisvolle berekeningen vol te houden. Vrijwel alle experts zijn het erover eens dat er geen weg omheen is: zonder foutcorrectie, en dus zonder logische qubits, blijft grootschalig kwantumrekenen buiten bereik. De race om logische qubits is daarom in feite de race om van speelgoedmachines naar bruikbare computers te gaan.
Voorbeelden uit de praktijk
Google Quantum AI maakte in december 2024 met de Willow-chip (105 fysieke qubits) bekend voor het eerst overtuigend 'onder de drempel' te zitten: naarmate ze de surface code lieten groeien, nam de kans op een resterende logische fout aantoonbaar af in plaats van toe. Het werk verscheen in Nature en werd breed gezien als een belangrijke mijlpaal, al benadrukte het team zelf dat het nog een demonstratie op kleine schaal betreft.
Quantinuum, dat werkt met qubits van gevangen ionen, kondigde in 2024 samen met Microsoft aan logische qubits te hebben gedraaid met foutpercentages die ruim honderdvoudig lager lagen dan die van de onderliggende fysieke qubits, inclusief actieve correctie tijdens de berekening zelf in plaats van er alleen achteraf. Het bedrijf profileert zich sindsdien nadrukkelijk op qubit-kwaliteit boven qubit-aantal.
De onderzoeksgroep van natuurkundige Mikhail Lukin (Harvard, in samenwerking met QuEra en MIT) publiceerde in 2023 in Nature een experiment waarin met neutrale, optisch gevangen atomen tientallen logische qubits tegelijk werden gerealiseerd en tijdens de berekening ook nog eens verplaatst en herschikt konden worden – een aanpak die minder standaard is dan supergeleidende chips, maar wel opvallend schaalbaar oogt.
IBM zet in op een eigen route: naast surface codes experimenteert het bedrijf met zogeheten qLDPC-codes, die in theorie veel minder fysieke qubits per logische qubit nodig hebben. Op de IBM-roadmap staan toekomstige systemen (met vogelnamen als Kookaburra en Starling) die specifiek gericht zijn op honderden logische qubits later dit decennium.
In Nederland doet QuTech (een samenwerking van TU Delft en TNO) al jaren fundamenteel onderzoek naar foutcorrectie, onder meer met kleinschalige surface code-experimenten en met de langlopende, meer speculatieve zoektocht naar topologische qubits samen met Microsoft, die van nature minder foutgevoelig zouden moeten zijn.
Hoe ver is de techniek?
De voortgang is de laatste twee, drie jaar duidelijk versneld, maar de sector staat nog vroeg in het traject. De belangrijkste horde – aantonen dat opschalen de logische foutkans daadwerkelijk verlaagt in plaats van verhoogt – is bij een paar systemen nu overtuigend genomen. Dat is een noodzakelijke, maar niet voldoende stap.
Het overblijvende probleem is overhead: hoeveel fysieke qubits kost één betrouwbare logische qubit? Bij de klassieke surface code lopen schattingen op tot honderden, soms rond het duizendtal, fysieke qubits per logische qubit, afhankelijk van de gewenste betrouwbaarheid en de kwaliteit van de onderliggende hardware. Bij enkele honderden fysieke qubits per chip, zoals nu gangbaar, levert dat dus slechts een handvol echt robuuste logische qubits op – te weinig voor de grote, praktische toepassingen die men voor ogen heeft.
Efficiëntere codes (zoals qLDPC) en alternatieve hardware (neutrale atomen, gevangen ionen, mogelijk ooit topologische qubits) proberen die overhead te verlagen, maar geen enkele aanpak heeft dit probleem al opgelost op een schaal die klassieke supercomputers overbodig maakt. De meeste roadmaps van grote spelers mikken op de tweede helft van dit decennium voor systemen met honderden betrouwbare logische qubits, en op begin jaren dertig voor duizenden. Dat zijn eigen prognoses van bedrijven, geen onafhankelijk geverifieerde deadlines, en eerdere kwantumroadmaps zijn vaker naar achteren geschoven dan gehaald.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten vormen momenteel het zwaartepunt: Google Quantum AI, IBM Quantum, Quantinuum (voortgekomen uit Honeywell en Cambridge Quantum), QuEra Computing (spin-off van Harvard/MIT-onderzoek) en Microsoft (dat zowel met Quantinuum samenwerkt als een eigen, meer speculatief topologisch qubitspoor volgt) zijn de bekendste namen. Universiteiten als Harvard, MIT en Caltech leveren veel van het onderliggende onderzoek.
In Europa is QuTech in Delft het belangrijkste Nederlandse kenniscentrum voor kwantumfoutcorrectie en -hardware, met steun van de Nederlandse overheid en de EU. Ook Duitsland, Frankrijk en het Verenigd Koninkrijk investeren fors, mede via het EU Quantum Flagship-programma. China rapporteert eigen vorderingen op kwantumhardware, al zijn onafhankelijk geverifieerde details over logische-qubitresultaten daar schaarser dan bij de Amerikaanse spelers. Ten slotte is er een groeiend aantal gespecialiseerde bedrijven, zoals Rigetti, PsiQuantum en Pasqal, die elk met een andere onderliggende qubittechnologie (supergeleiders, fotonen, neutrale atomen) proberen tot bruikbare logische qubits te komen.