Snellere quantumchip zonder de kwetsbare informatie te verstoren
Een quantumcomputer is enorm krachtig, maar ook enorm fragiel. De kleinste verstoring kan de informatie erin laten verdwijnen, als zand dat door je vingers glipt. Een onderzoeksteam heeft nu een nieuwe truc gevonden om twee qubits (de bouwstenen van een quantumcomputer) sneller en nauwkeuriger met elkaar te laten communiceren, zonder dat fragiele evenwicht te verstoren.
Een qubit is te vergelijken met een gewoon computerbitje, maar dan met een quantumtwist: waar een gewone bit een 0 of een 1 is, kan een qubit dankzij quantummechanica een beetje van allebei tegelijk zijn. Om een quantumcomputer te laten rekenen, moeten qubits met elkaar "praten": hun toestanden moeten op elkaar inwerken via zogeheten poort-operaties, vergelijkbaar met de logische schakelingen in een gewone chip.
Het probleem: hoe sneller je zo'n poort-operatie uitvoert, hoe groter de kans dat de qubit "weglekt" naar een ongewenste energietoestand buiten het rekengebied. Dat heet leakage. Ga je juist langzamer te werk om dat te voorkomen, dan loop je tegen een ander probleem aan: decoherentie, het langzaam wegvallen van de quantumtoestand door storing van buitenaf. Je zit dus klem tussen snelheid en nauwkeurigheid.
Een nieuwe truc met microgolven
De onderzoekers gebruikten een natuurkundig verschijnsel genaamd het Autler-Townes-effect. Dat klinkt ingewikkeld, maar de kern is simpel: door de qubit met specifieke microgolfpulsen te bestralen, kun je de energieniveaus ervan tijdelijk "verbuigen", zonder de informatie die erin zit te verstoren. Je past als het ware de speelregels van de qubit even aan, zonder de qubit zelf aan te raken.
Met deze aanpak bouwden de onderzoekers een zogeheten CZ-poort, een veelgebruikte bewerking tussen twee qubits. Die poort werkte in 97 nanoseconden, dat is 97 miljardste van een seconde, met een nauwkeurigheid (fideliteit) van 99,40%, met een onzekerheidsmarge van 0,09 procentpunt. Dat betekent dat de poort in ruim 99 van de 100 gevallen precies deed wat de bedoeling was.
Belangrijk detail uit het onderzoek: de kleine foutjes die nog overbleven, kwamen vooral door gewone, onvermijdelijke decoherentie, niet door leakage of andere technische gebreken van de methode zelf. Dat suggereert dat de techniek dicht bij de natuurlijke grens van wat haalbaar is zit, gegeven de huidige kwaliteit van de hardware.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is één experiment van één onderzoeksteam, uitgevoerd op een specifieke opstelling met twee qubits. Het betekent niet dat grote quantumcomputers met duizenden qubits nu ineens binnen handbereik liggen. Of deze methode even goed werkt op grotere schaal, met meer qubits tegelijk, moet nog blijken. De onderzoekers melden wel dat de aanpak in principe op verschillende soorten quantumhardware toepasbaar zou moeten zijn, maar dat is nog niet breed getest.
Waarom is dit toch de moeite waard? Fault-tolerant quantumcomputing, dus een quantumcomputer die foutjes kan opvangen en toch betrouwbaar blijft rekenen, vraagt om poort-operaties die én snel én extreem nauwkeurig zijn. Elke verbetering in die twee richtingen tegelijk, zonder gebruik te maken van ingewikkelde en storingsgevoelige technieken, is een praktische stap in de goede richting. Het is geen doorbraak die morgen een werkende quantumcomputer oplevert, maar wel een bouwsteentje dat andere onderzoekers kunnen hergebruiken.
Bron: Autler-townes energy-level engineering for high-quality all-microwave qubit gate