Voor het eerst is aangetoond dat het mogelijk is om het totale aantal fouten van een quantumcomputer terug te brengen. Dat betekent dat we grotere, bruikbare quantumcomputers kunnen bouwen.

Quantumfoutcorrectie is een belangrijke stap voor de ontwikkeling van bruikbare quantumcomputers. Nu heeft Google aangetoond dat zijn benadering van foutcorrectie schaalbaar is. Dat melden onderzoekers van het bedrijf in het wetenschappelijk tijdschrift Nature. Deze stap biedt vertrouwen dat praktische quantumcomputers in de komende jaren op de markt verschijnen.

De bouwstenen van een quantumcomputer zijn qubits, de quantumvariant van de transistors in een klassieke computerchip. Maar qubits zijn gevoelig voor fouten. Die moeten worden gedetecteerd en gecorrigeerd als we quantumcomputers willen bouwen die groot genoeg zijn om echte problemen aan te pakken.

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
LEES OOK

Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’

Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...

Surface code

Een populaire benadering voor foutcorrectie heet surface code correction. Daarbij werken veel qubits samen als één zogenaamde logische qubit. Dit zorgt voor redundantie: als één qubit een fout maakt, blijft het gecombineerde geheel gewoon werken. Dit is ook hoe foutcorrectie in klassieke computers werkt.

In quantumcomputers is er echter een extra complicatie. Iedere poging om qubits te meten, vernietigt de data meteen.

Dit betekent dat het toevoegen van meer fysieke qubits aan je logische qubit ook nadelig kan zijn. ‘Als ingenieurs proberen om grotere ensembles van fysieke qubits te organiseren tot logische qubits, met het doel om minder fouten te maken, gebeurde tot nog toe eigenlijk het tegenovergestelde’, zegt quantumcomputerexpert Hartmut Neven van Google.

Google liet dit zien toen het in 2021 voor het eerst een werkend foutcorrectieschema presenteerde, dat resulteerde in een netto toename van fouten. Onderzoekers van het Joint Quantum Institute in Maryland slaagden er later in om logische qubits te maken die de foutpercentages niet verder verslechterden, al was dat dan op een nogal technische manier, in plaats van een praktisch bruikbare.

Commercieel bruikbare quantumcomputer

Nu heeft Google aangetoond dat logische qubits kunnen worden uitgebreid en dat deze schaalvergroting het totale foutenpercentage omlaag brengt. Als die trend kan worden voortgezet, kunnen ze berekeningen uitvoeren die zelfs op de krachtigste klassieke computers onmogelijk zouden zijn. Neven zegt dat het team er nu ‘tastbaar vertrouwen’ in heeft dat Google een commercieel bruikbare quantumcomputer kan maken.

Rasterbits
Het team bereikte de mijlpaal met behulp van de derde generatie van Google’s quantumprocessor Sycamore, met 53 qubits. Surface code logische qubits zijn doorgaans een raster van qubits gekoppeld aan andere qubits. Er is steeds één qubit gereserveerd om de waarde van andere qubits te meten. In het experiment van het bedrijf werd overgeschakeld van rasters van 3 bij 3, met 17 fysieke qubits, naar rasters van 5 bij 5 met 49 qubits. Dat betekent dat bijna de hele processor als één logische qubit werkt. Deze verhoging bracht een verlaging van de foutmarge van 3,028 procent naar 2,914 procent.

Opschaling

Het team van Google geeft toe dat de verbetering klein is, maar zegt dat het opschalingsproces in theorie onbeperkt kan worden voortgezet. Dat maakt de weg vrij voor een quantumcomputer die weinig fouten maakt, en dus betrouwbaar nuttige taken kan uitvoeren. Maar de volgende stap, een overgang naar een logische qubit van 6 bij 6, waarvoor 71 fysieke qubits nodig zijn, is onmogelijk met de huidige generatie quantumprocessoren. Dat vereist betere hardware.

Quantuminformatie-onderzoeker Fernando Gonzalez-Zalba van de Universiteit van Cambridge zegt dat een grotere verbetering van de foutmarge mooi zou zijn geweest, maar dat het onderzoek in de goede richting gaat. ‘De afzonderlijke componenten in de processor moeten nog wat verbeteren om de logische foutmarge op te voeren naarmate de technologie opschaalt’, zegt hij, ‘maar wat we zien in de publicaties van het team, is dat ze na elke publicatie aanzienlijk verbeteren. Ik denk niet dat schaalbare quantumfoutcorrectie nog jaren gaat duren, ik denk dat we er bijna zijn.’