Quasideeltjesvergiftiging: waarom kwantumchips last hebben van onzichtbare storing
Stel je een dansvloer voor waar iedereen keurig in paren beweegt, precies synchroon, zonder ooit te botsen. Zo'n perfect gechoreografeerde vloer is een goede metafoor voor een supergeleider: een materiaal waarin elektronen zich niet los van elkaar gedragen, maar samen dansen in hechte tweetallen. Zolang die paren intact blijven, stroomt er stroom zonder enige weerstand. Maar soms breekt zo'n paar uit elkaar en ontstaat er een eenzame danser die niet meer in het patroon past. Natuurkundigen noemen zo'n verstoring een quasideeltje, en wanneer zo'n eenzaam deeltje een kwantumchip binnendringt en daar de opgeslagen informatie verpest, spreekt men van quasideeltjesvergiftiging.
Het is geen vergif in de scheikundige zin, maar een storend kwantumeffect dat vooral een probleem is voor de allergevoeligste onderdelen van kwantumcomputers: de qubits, de kwantumversie van een bit. Sommige van de meest veelbelovende qubit-ontwerpen, met name de zogeheten topologische qubits, beloven van nature bestand te zijn tegen fouten. Quasideeltjesvergiftiging is een van de weinige verschijnselen die dwars door die bescherming heen kan prikken, en daarom houdt een select gezelschap van natuurkundigen zich er wereldwijd intensief mee bezig.
Wat is het precies?
Om te snappen wat er misgaat, moet je eerst weten hoe supergeleiding werkt. In een gewoon metaal bewegen elektronen individueel en botsen ze voortdurend tegen onzuiverheden en trillingen in het kristalrooster; dat botsen veroorzaakt elektrische weerstand. Koel je bepaalde metalen echter af tot vlakbij het absolute nulpunt, dan gaan elektronen zich juist paarsgewijs gedragen. Zulke koppels heten Cooper-paren, vernoemd naar de natuurkundige die ze in 1956 beschreef. Cooper-paren glijden ongehinderd door het materiaal: dat is supergeleiding.
Om een Cooper-paar te breken is energie nodig, een minimumhoeveelheid die de energiekloof (of gap) heet. Komt er van buitenaf voldoende energie binnen, bijvoorbeeld in de vorm van warmte, trillingen, straling of rondzwervend licht, dan kan zo'n paar toch uit elkaar vallen. Het losse elektron dat overblijft, gedraagt zich niet meer als een gewoon elektron, maar als een nieuw soort effectief deeltje met eigen energie en beweging: het quasideeltje.
In een kwantumcomputer die op supergeleiding steunt, zoals de chips van Google en IBM, zit informatie opgeslagen in de precieze kwantumtoestand van piepkleine supergeleidende circuits die transmons heten. Een quasideeltje dat door zo'n circuit tunnelt, kan die toestand verstoren en de qubit laten "vergeten" wat hij aan het rekenen was. Dat verschijnsel heet decoherentie.
Extra kritiek wordt het bij topologische qubits, een ander ontwerp dat werkt met zogeheten Majorana-nulmodi: bijzondere kwantumtoestanden die aan de uiteinden van een supergeleidende nanodraad ontstaan. Bij dit ontwerp wordt informatie niet opgeslagen in één deeltje, maar in een gezamenlijke, niet-lokale eigenschap van het hele systeem: de fermionpariteit, ofwel of het totale aantal ongepaarde elektronen even of oneven is. Eén enkel quasideeltje dat het systeem binnenkomt, kan die pariteit omslaan en zo in één klap de opgeslagen informatie wissen, zonder dat er iets fysiek kapot gaat aan de hardware. Vandaar de term vergiftiging: het systeem blijft functioneren, maar de inhoud is stilletjes bedorven.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel achter dit onderzoek is niet quasideeltjesvergiftiging zelf, maar het bouwen van een bruikbare, foutbestendige kwantumcomputer. Huidige kwantumchips maken nog veel rekenfouten; om die te compenseren is foutcorrectie nodig, wat honderden tot duizenden fysieke qubits kan vergen per betrouwbare "logische" qubit. Dat maakt schaalvergroting duur en complex.
Topologische qubits zijn aantrekkelijk omdat ze in theorie van nature veel minder gevoelig zijn voor kleine verstoringen: de informatie zit "verstopt" in een globale eigenschap van het systeem in plaats van in een kwetsbaar lokaal detail. Dat zou moeten resulteren in qubits die van zichzelf al veel stabieler zijn, met minder overhead aan foutcorrectie. Quasideeltjesvergiftiging is echter precies het lek waardoor die belofte kan weglekken: het is een van de weinige foutmechanismen die de topologische bescherming omzeilt. Onderzoek naar dit fenomeen is er dus op gericht die laatste zwakke plek te dichten, zodat de theoretische belofte van topologische kwantumcomputers ook praktisch waargemaakt kan worden. Ook voor gewone supergeleidende qubits, zonder topologische bescherming, is het terugdringen van quasideeltjesvergiftiging waardevol: het verlengt simpelweg de coherentietijd en maakt zo betere, langere berekeningen mogelijk.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal onderzoeksresultaten illustreert hoe reëel en meetbaar dit probleem is.
In 2020 publiceerden onderzoekers van MIT, samen met partners waaronder Google, in Nature een studie die aantoonde dat kosmische straling, deeltjes die voortdurend vanuit de ruimte op aarde neerregenen, genoeg energie levert om Cooper-paren op grote schaal te breken en zo de coherentietijd van supergeleidende qubits drastisch te verkorten. Dit werk, onder leiding van Antti Vepsäläinen, was een van de eerste directe bewijzen dat achtergrondstraling een harde limiet stelt aan hoe goed supergeleidende qubits kunnen worden zonder afscherming.
Google Quantum AI bouwde hierop voort met onderzoek, gepubliceerd rond 2021-2022, op zijn Sycamore-processor, waarin werd aangetoond dat een enkele kosmische-stralingsinslag tegelijk tientallen qubits op de chip kan "vergiftigen", omdat de vrijgekomen quasideeltjes zich over het hele chipoppervlak verspreiden.
Op het gebied van topologische qubits is de groep van Leo Kouwenhoven bij QuTech, het kwantuminstituut van de TU Delft, al ruim een decennium een van de voortrekkers in het meten en begrijpen van quasideeltjesvergiftiging in nanodraden die mogelijk Majorana-nulmodi herbergen. Een claim uit 2021 over waargenomen Majorana-signalen moest overigens later worden teruggetrokken na twijfels over de dataverwerking, wat laat zien hoe lastig het is om deze effecten eenduidig aan te tonen.
Microsoft, dat via zijn Azure Quantum-programma al jarenlang samenwerkt met onder andere TU Delft en de Universiteit van Kopenhagen, presenteerde in februari 2025 een chip genaamd Majorana 1, die volgens het bedrijf op topologische qubits zou zijn gebaseerd. De claim leidde tot serieuze discussie in de natuurkundige gemeenschap over de vraag of het gepresenteerde bewijs afdoende was, mede door de eerdere terugtrekking in het veld. Onafhankelijke validatie van de onderliggende Majorana-fysica loopt op het moment van schrijven nog.
Hoe ver is de techniek?
Voor gewone supergeleidende qubits, zoals die van Google en IBM, is quasideeltjesvergiftiging inmiddels een goed gekarakteriseerd en deels beheersbaar probleem. Chips worden tegenwoordig vaak afgeschermd met loodlagen tegen kosmische straling, uitgerust met filters tegen ongewenst infrarood licht van buitenaf, en voorzien van kleine "quasideeltjesvallen": stukjes gewoon, niet-supergeleidend metaal die quasideeltjes wegvangen voordat ze de qubit bereiken. Ook wordt geëxperimenteerd met het lokaal aanpassen van de energiekloof, zodat quasideeltjes als vanzelf wegdrijven van de gevoelige delen van het circuit. Deze maatregelen verlengen de coherentietijd, maar elimineren het probleem niet volledig; het blijft een achtergrondfoutbron waarmee foutcorrectie-algoritmes rekening moeten houden.
Voor topologische, Majorana-gebaseerde qubits ligt de zaak lastiger. Het veld heeft de afgelopen vijftien jaar successievelijk betere nanodraad-materialen, schonere interfaces en gevoeligere metingen ontwikkeld, maar een onomstreden, reproduceerbare demonstratie van een werkende, foutbestendige topologische qubit is er nog niet. Quasideeltjesvergiftiging is daarbij niet het enige obstakel, maar wel een fundamenteel obstakel: zelfs met vrijwel perfecte materialen blijft achtergrondstraling en thermische ruis een bron van storende quasideeltjes. De voortgang is gestaag maar traag, en claims in dit deelgebied worden door de wetenschappelijke gemeenschap terecht met enige voorzichtigheid ontvangen, gezien eerdere tegenvallers.
Wie werken eraan?
Op het gebied van supergeleidende qubits zijn Google Quantum AI en IBM Quantum de grootste industriële spelers die actief onderzoek doen naar het beperken van quasideeltjesvergiftiging, vaak in samenwerking met universitaire partners zoals MIT Lincoln Laboratory en Yale University, waar groepen rond Michel Devoret en Robert Schoelkopf al vroeg, rond 2011, baanbrekend werk deden op dit vlak.
Op het gebied van topologische qubits trekt Microsoft via zijn Azure Quantum-programma, in nauwe samenwerking met QuTech (TU Delft, Nederland), de Universiteit van Kopenhagen (Niels Bohr Instituut) en de Universiteit van Californië, Santa Barbara. Nederland speelt hierin, mede dankzij QuTech, internationaal een vooraanstaande rol. Daarnaast publiceren groepen aan onder meer Princeton en Purdue University regelmatig over materiaalkundige aspecten die quasideeltjesvorming beïnvloeden.