Reconfigureerbare qubit-connectiviteit: qubits die van plek wisselen
Stel je een klas voor waarin leerlingen alleen met hun directe buurman of buurvrouw mogen overleggen, omdat de tafels vastgeschroefd staan. Wil je dat twee leerlingen aan de andere kant van de klas samenwerken, dan moeten ze via een lange rij van tussenpersonen informatie doorgeven, wat foutgevoelig en traag is. Reconfigureerbare qubit-connectiviteit is te vergelijken met een klas waarin de stoelen op wieltjes staan: voor elke opdracht kun je de tafels zo verschuiven dat precies de juiste twee leerlingen naast elkaar komen te zitten, en daarna weer anders voor de volgende opdracht.
In een quantumcomputer zijn de 'leerlingen' qubits, de kwantumversie van een bit. Om een berekening uit te voeren moeten qubits soms met elkaar 'praten' via zogeheten twee-qubit-poorten, bewerkingen die twee qubits met elkaar verstrengelen. In veel huidige quantumchips ligt vast wélke qubits met elkaar kunnen praten, net als vastgeschroefde schoolbanken. Reconfigureerbare connectiviteit betekent dat die verbindingen tussen qubits tijdens de berekening kunnen worden aangepast, zodat willekeurige paren qubits met elkaar kunnen samenwerken zonder dat daarvoor eerst allerlei tussenstappen nodig zijn.
Wat is het precies?
Een qubit is de kleinste rekeneenheid van een quantumcomputer. Net als een gewone bit kan een qubit een 0 of een 1 voorstellen, maar dankzij kwantummechanica ook een mengvorm van beide tegelijk. Nuttige berekeningen ontstaan pas wanneer qubits met elkaar verstrengeld raken via twee-qubit-poorten: korte, precieze interacties tussen twee qubits.
Bij de bekendste quantumchips, gemaakt van supergeleidend materiaal (zoals bij Google en IBM), liggen de qubits vast gesoldeerd op een chip in een rooster, meestal met verbindingen naar hun directe buren. Willen twee qubits die niet naast elkaar liggen een poort uitvoeren, dan moet hun kwantuminformatie eerst via een reeks tussenliggende qubits worden doorgeschoven, een operatie die een 'swap' heet. Elke swap is zelf weer een foutgevoelige bewerking, dus lange afstanden tussen qubits kosten al snel veel extra fouten.
Reconfigureerbare connectiviteit lost dit probleem op een andere manier op, en dat gebeurt in de praktijk vooral via twee natuurkundige platformen. Bij neutrale-atoomcomputers worden individuele atomen (bijvoorbeeld rubidium) vastgehouden door piepkleine, sterk gefocuste laserstralen, 'optische tweezers' genoemd. Met spiegels en akoestisch-optische deflectoren, apparaatjes die een laserstraal razendsnel kunnen ombuigen, kunnen deze tweezers en dus de atomen zelf fysiek worden verplaatst terwijl de berekening loopt. Twee atomen die een poort moeten uitvoeren, worden simpelweg naast elkaar geschoven; daarna verspreiden ze zich weer voor de volgende stap.
Bij trapped-ion-computers (gevangen ionen) gebeurt iets vergelijkbaars, maar dan in een elektromagnetische val. In de zogeheten QCCD-architectuur (Quantum Charge-Coupled Device, oorspronkelijk voorgesteld door onderzoekers rond Nobelprijswinnaar David Wineland bij het Amerikaanse NIST) worden ionen fysiek door een netwerk van valstukjes heen geschoven naar aparte 'poortzones', waar de interactie plaatsvindt.
Er bestaat ook een lichtere vorm van reconfigureerbaarheid bij supergeleidende chips: zogeheten 'tunable couplers', instelbare koppelingen tussen buurqubits die je aan of uit kunt zetten of in sterkte kunt aanpassen. Dit verandert niet wélke qubits naast elkaar liggen, maar wel of en hoe sterk ze op een gegeven moment met elkaar communiceren. Het is dus geen fysieke verplaatsing, maar wel een vorm van dynamische controle over de connectiviteit.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is het verminderen van fouten en overhead. Elke extra swap-operatie in een vast-bedraad systeem voegt ruis toe; door qubits direct bij elkaar te brengen, vervalt die noodzaak grotendeels, wat langere en betrouwbaardere berekeningen mogelijk maakt.
Een tweede reden is flexibiliteit voor algoritmes. Veel praktische problemen, zoals optimalisatievraagstukken of het simuleren van moleculen, hebben van nature een netwerkstructuur die niet op een simpel vierkant rooster past. Met herconfigureerbare hardware kan de fysieke opstelling van de qubits worden aangepast aan de wiskundige structuur van het probleem, in plaats van andersom.
Ten derde, en misschien wel het belangrijkst op de langere termijn, speelt reconfigureerbare connectiviteit een sleutelrol bij kwantumfoutcorrectie. Om een betrouwbare 'logische' qubit te maken, moet je tientallen tot honderden fysieke qubits combineren in een foutcorrigerende code. Sommige van de krachtigste codes vereisen verbindingspatronen die tijdens de berekening veranderen, iets wat alleen praktisch is als de hardware zelf herconfigureerbaar is.
Voorbeelden uit de praktijk
Een veelgenoemd mijlpaalonderzoek kwam in 2023 van de onderzoeksgroep van natuurkundige Mikhail Lukin aan Harvard University, in samenwerking met het bedrijf QuEra Computing (een spin-off van Harvard en MIT). In het tijdschrift Nature beschreven zij een 'logische quantumprocessor' waarbij tientallen logische qubits werden opgebouwd uit honderden fysieke, met laser-tweezers vastgehouden atomen, die tijdens de berekening fysiek werden herschikt om foutcorrigerende bewerkingen uit te voeren. Dit gold als een van de eerste overtuigende demonstraties dat reconfigureerbare atoomarrays op relevante schaal kunnen werken voor foutcorrectie.
In Frankrijk bouwt het bedrijf Pasqal, opgericht door onder anderen natuurkundige Antoine Browaeys (verbonden aan het Institut d'Optique), commerciële neutrale-atoomcomputers die via de cloud toegankelijk zijn en waarbij klanten optimalisatie- en simulatieproblemen kunnen aanbieden die profiteren van de flexibele atoomopstelling.
Het Amerikaanse bedrijf Atom Computing werkt eveneens met neutrale atomen in optische tweezers en heeft de afgelopen jaren gedemonstreerd dat dit soort arrays naar duizenden atomen kan opschalen, met aandacht voor zowel de omvang van het array als de betrouwbaarheid van de individuele qubits.
Bij de gevangen-ionentechnologie combineert Quantinuum (ontstaan uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum) de QCCD-aanpak met ionshuttling tussen geheugen- en poortzones, en claimt hiermee een vorm van vrijwel volledige (all-to-all) connectiviteit tussen ionen. Ook IonQ gebruikt gevangen ionen waarbij de positionering van ionen bijdraagt aan flexibele koppelingsmogelijkheden.
Hoe ver is de techniek?
Reconfigureerbare connectiviteit bevindt zich in een overgangsfase tussen laboratoriumonderzoek en vroege commerciële toepassing. Verschillende bedrijven bieden hun systemen al aan via de cloud, zodat onderzoekers en bedrijven er experimenten op kunnen draaien, maar de systemen zijn nog te klein en te foutgevoelig voor de meeste praktisch nuttige, grootschalige berekeningen. Dit tijdperk wordt in de sector vaak aangeduid als de NISQ-fase (Noisy Intermediate-Scale Quantum): apparaten met tientallen tot een paar duizend qubits, zonder volledige foutcorrectie.
Het fysiek verplaatsen van atomen of ionen kost tijd, doorgaans microseconden tot milliseconden, en tijdens die verplaatsing kunnen kleine trillingen of opwarming (heating) de kwantumtoestand verstoren. Er is dus voortdurend een afweging tussen snelheid en betrouwbaarheid van de verplaatsing zelf.
Het Nature-onderzoek van Harvard en QuEra uit 2023 wordt breed gezien als belangrijke mijlpaal omdat het liet zien dat reconfigureerbare atoomarrays daadwerkelijk foutcorrigerende logische qubits met verbeterde betrouwbaarheid konden opleveren, iets wat eerder vooral theoretisch was. Toch was dit nog een demonstratie op beperkte schaal, geen algemeen inzetbare, volledig foutbestendige computer. Het opschalen naar de vele duizenden tot miljoenen qubits die voor praktisch relevante, foutbestendige quantumcomputers nodig worden geacht, blijft een groot en open technisch vraagstuk, zowel voor neutrale atomen als voor gevangen ionen.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten lopen Harvard University (de groep van Mikhail Lukin), het Massachusetts Institute of Technology en het California Institute of Technology voorop in het fundamentele onderzoek naar optische tweezer-arrays. Commercieel zijn QuEra Computing, Atom Computing, Quantinuum en IonQ actief, naast de grote techbedrijven Google en IBM, die vooral onderzoek doen naar tunable couplers binnen hun supergeleidende chips.
In Europa is Frankrijk sterk vertegenwoordigd via Pasqal en het onderzoek rond het Institut d'Optique. In Nederland houdt QuTech in Delft, een samenwerking tussen de TU Delft en onderzoeksinstituut TNO, zich bezig met verschillende qubittechnologieën en de bredere systeemarchitectuur van quantumcomputers, al ligt de nadruk daar historisch meer op supergeleidende en spin-qubits dan op neutrale atomen. Onderzoek naar herconfigureerbare atoomarrays wordt daarnaast wereldwijd voortgezet, onder meer bij groepen in China, als onderdeel van de bredere internationale race om schaalbare, betrouwbare quantumhardware.