Meetgebaseerd kwantumrekenen: computeren door te meten in plaats van te rekenen
Stel je een enorm, onzichtbaar breiwerk voor van duizenden qubits, allemaal met elkaar verstrengeld tot één groot verward geheel. Een gewone computeraanpak zou op dit breiwerk stap voor stap knopen leggen en weer losmaken. Meetgebaseerd kwantumrekenen doet iets heel anders: het breiwerk ligt er al helemaal klaar, en de berekening bestaat uit niets anders dan het één voor één meten van elke qubit, in een volgorde en met instellingen die afhangen van de uitkomsten die je onderweg krijgt.
Dat klinkt vreemd, want in de klassieke informatica is meten meestal het einde van een berekening, niet het middel om er een uit te voeren. In de kwantumwereld kan een meting echter de toestand van andere, verstrengelde deeltjes beïnvloeden. Meetgebaseerd kwantumrekenen (Engels: measurement-based quantum computing, afgekort MBQC) maakt daar handig gebruik van: eerst bouw je een groot verstrengeld netwerk van qubits, een zogeheten clustertoestand, en daarna ‘verbruik’ je die toestand door metingen. Elke meting vernietigt de gemeten qubit als rekeneenheid — vandaar dat dit model ook wel ‘éénrichtings-kwantumrekenen’ wordt genoemd.
Wat is het precies?
Gewone kwantumcomputers, zoals veel mensen zich die voorstellen, werken volgens het zogeheten circuitmodel. Daarin stuur je qubits door een reeks poorten (vergelijkbaar met logische poorten in een klassieke chip), die de kwantumtoestand stap voor stap veranderen. Aan het eind meet je de qubits om een antwoord af te lezen. De qubits zelf blijven tijdens de hele berekening intact en herbruikbaar.
MBQC draait dit om. Eerst wordt een grote, sterk verstrengelde toestand gemaakt: een rooster van qubits waarbij elke qubit verstrengeld is met zijn buren, via een vaste, uniforme operatie (meestal een zogeheten controlled-Z-poort). Deze clustertoestand bevat op zichzelf nog geen specifieke berekening — het is een soort grondstof, vergelijkbaar met een blanco stuk marmer waar een beeldhouwer nog niets uit gehakt heeft.
De eigenlijke berekening ontstaat pas door de qubits een voor een te meten, elk in een specifieke ‘richting’ (meetbasis) die past bij het algoritme dat je wilt uitvoeren. Cruciaal is dat de meetrichting van latere qubits mag afhangen van de uitkomsten van eerdere metingen. Dit heet adaptieve meting, en het is deze feedback-lus — meten, uitkomst aflezen, volgende meetinstelling aanpassen — die van een reeks willekeurige metingen een echte, programmeerbare berekening maakt. Aan het einde geven de laatste meetuitkomsten het antwoord.
Het theoretische fundament werd in 2001 gelegd door de natuurkundigen Robert Raussendorf en Hans Briegel, die aantoonden dat dit ‘one-way’-model wiskundig even krachtig is als het klassieke circuitmodel: alles wat je met poorten kunt berekenen, kun je ook met een clustertoestand en de juiste metingen.
Wat wil men ermee bereiken?
MBQC is geen doel op zich, maar een andere weg naar hetzelfde doel: een bruikbare, foutbestendige kwantumcomputer die problemen kan oplossen die voor klassieke computers onhaalbaar zijn, zoals het simuleren van complexe moleculen voor medicijn- en materiaalontwikkeling, of bepaalde optimalisatie- en cryptografische taken.
De aantrekkingskracht van het meetgebaseerde model zit vooral in de praktische kant van bepaalde technologieën. Fotonen (lichtdeeltjes) zijn bijvoorbeeld uitstekende dragers van kwantuminformatie: ze reizen snel, zijn ongevoelig voor veel storingen en werken bij kamertemperatuur. Het probleem is dat twee fotonen elkaar van nature nauwelijks beïnvloeden, waardoor de twee-qubit-poorten die het circuitmodel nodig heeft, extreem lastig te maken zijn. Metingen op losse fotonen zijn daarentegen relatief eenvoudig. MBQC verlegt daarom het zware werk van ‘poorten uitvoeren’ naar ‘een verstrengeld netwerk opbouwen en vervolgens meten’ — precies wat fotonische systemen goed kunnen.
Daarnaast biedt het model theoretische voordelen voor foutcorrectie: bepaalde foutcorrigerende codes, zoals de veelgebruikte surface code, laten zich natuurlijk beschrijven als een soort clustertoestand met metingen. Dat maakt MBQC ook relevant voor onderzoekers die met heel andere hardware werken, zoals supergeleidende chips of gevangen ionen.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de eerste experimentele demonstraties kwam van een team rond Philip Walther en Anton Zeilinger, dat in 2005 een clustertoestand van vier verstrengelde fotonen bouwde en daarmee kleine kwantumalgoritmes liet zien, waaronder een eenvoudige versie van het zoekalgoritme van Grover. Dit was nog ver van praktisch nut, maar bewees dat het principe werkte.
De groep van natuurkundige Akira Furusawa aan de Universiteit van Tokio bouwde met licht zogeheten continuous-variable-clustertoestanden (waarin informatie in golfeigenschappen van licht wordt gecodeerd in plaats van in discrete qubits) van duizenden, en later meer dan een miljoen, verstrengelde modi, gepubliceerd in onder meer een veelbesproken artikel in Science in 2019. Dit liet zien dat de opschaling van clustertoestanden zelf, los van het uitvoeren van complexe berekeningen, al ver gevorderd kan zijn.
Het Canadese bedrijf Xanadu bouwt fotonische systemen die eveneens op continuous-variable clustertoestanden leunen, met als doel foutbestendige qubits te maken via zogeheten GKP-toestanden (genoemd naar de natuurkundigen Gottesman, Kitaev en Preskill). Xanadu publiceerde zijn technische blauwdruk hiervoor in 2021 en werkt sindsdien aan modulaire, netwerkbare fotonische chips.
Het Amerikaanse bedrijf PsiQuantum ontwikkelde een variant genaamd fusion-based quantum computing, beschreven in een technisch artikel van Bartolucci en collega's uit 2021. Hierbij worden kleine, makkelijker te maken clustertoestanden via metingen (‘fusies’) samengevoegd tot een groter geheel, met foutcorrectie ingebouwd in het proces zelf. PsiQuantum kondigde de bouw aan van fabricagefaciliteiten voor fotonische chips, onder meer in Brisbane (Australië) en Chicago (Verenigde Staten), als onderdeel van hun streven naar een grootschalige, praktisch bruikbare kwantumcomputer.
Hoe ver is de techniek?
MBQC is theoretisch stevig onderbouwd en experimenteel herhaaldelijk bevestigd, maar staat als praktisch rekenplatform nog in een vroeg stadium. De belangrijkste mijlpalen tot nu toe zijn kleine clustertoestanden (tientallen tot enkele honderden qubits) waarmee eenvoudige algoritmes of foutcorrectiestappen zijn gedemonstreerd, en losstaand daarvan zeer grote maar nog niet volledig programmeerbare continuous-variable clustertoestanden.
De grootste obstakels liggen niet zozeer in het idee zelf, maar in de uitvoering. Fotonverlies is een hardnekkig probleem: raakt een enkel foton van de clustertoestand kwijt tijdens transport of detectie, dan valt een deel van het netwerk weg en moet het rekenproces daarvoor compenseren — iets waar architecturen als fusion-based quantum computing specifiek voor zijn ontworpen. Verder moet de klassieke elektronica die meetuitkomsten verwerkt en de volgende meetinstelling bepaalt, dat razendsnel doen, vaak binnen nanoseconden, omdat fotonen niet blijven ‘wachten’. Ten slotte blijft opschalen naar de miljoenen fysieke qubits die nodig zijn voor een foutbestendige, nuttige berekening een enorme technische opgave, zowel qua hardware als qua besturingssoftware.
Onafhankelijke experts zijn het erover eens dat een breed inzetbare, foutbestendige kwantumcomputer — via MBQC of anderszins — nog minstens enkele jaren, en mogelijk langer, op zich laat wachten. Concrete tijdspaden die bedrijven zelf noemen, zijn optimistischer dan wat de meeste academische waarnemers verwachten, en dat verschil is het waard om in het achterhoofd te houden.
Wie werken eraan?
Op bedrijfsniveau lopen PsiQuantum en Xanadu voorop met fotonische, expliciet meetgebaseerde architecturen. Daarnaast draagt onderzoek van academische groepen sterk bij aan het veld: de groep van Akira Furusawa in Tokio en samenwerkingen met RIKEN in Japan op het gebied van continuous-variable clustertoestanden, de groep van Jian-Wei Pan aan de University of Science and Technology of China (USTC) op fotonische kwantuminformatica, en onderzoekslaboratoria van NTT in Japan die aan tijdgemultiplexte lichtgebaseerde clustertoestanden werken.
Bredere spelers in de kwantumcomputerwereld zoals Google, IBM en Quantinuum werken weliswaar primair met andere hardware (supergeleidende chips respectievelijk gevangen ionen), maar ontwikkelen technieken — zoals metingen halverwege een berekening met razendsnelle terugkoppeling (‘mid-circuit measurement’ en ‘feedforward’) — die conceptueel nauw verwant zijn aan MBQC en essentieel zijn voor moderne foutcorrectieschema's zoals de surface code. Verder financieren en coördineren nationale programma's in onder meer de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk, Japan, China en de Europese Unie (via Horizon Europe en het Quantum Flagship-programma) fundamenteel en toegepast onderzoek op dit terrein.