Verbeterde foutencorrectie brengt nuttige quantumcomputer dichterbij

Wil je een nuttige quantumcomputer bouwen, dan heb je goede foutencorrectie nodig. Onderzoekers van het Google Quantum AI-onderzoekslab hebben nu aangetoond dat hun foutencorrectiesysteem veel beter wordt als ze qubit-bouwstenen toevoegen aan hun quantumchip. Dat is een belangrijke stap in de ontwikkeling van toekomstige quantumcomputers.

Toekomstige quantumcomputers beloven bepaalde berekeningen veel sneller uit te voeren dan huidige computers. Daarmee kun je vraagstukken oplossen die nu nog buiten ons bereik liggen. Dat is mogelijk dankzij quantumeigenschappen van de bouwstenen: qubits, die niet enkel één óf nul zijn, zoals ‘gewone’ computerbits, maar ook een combinatie daarvan.



Het lastige aan qubits is dat ze kwetsbaar zijn, waardoor kleine verstoringen fouten veroorzaken in de berekeningen. Volledig foutbestendige qubits maken lijkt onmogelijk, daarom is correctie essentieel. Onderzoekers van het Google Quantum AI-onderzoekslab hebben nu met ongeveer honderd qubits gedemonstreerd dat ze het foutenpercentage exponentieel kunnen laten afnemen naarmate ze meer qubits gebruiken.

Hun resultaten verschenen maandag in Nature . Bij deze methode werkt een groepje kwetsbare, fysieke qubits samen om één robuuste, zogeheten ‘logische qubit’ te representeren. Je kunt het vergelijken met foutencorrectie voor gewone bits.

Als je dan een één wilt doorgeven, kun je daarvoor drie bits gebruiken die allemaal één zijn. Verandert een daarvan foutief in een nul, dan heb je nog steeds twee enen en weet de ontvanger dat je een één wilde versturen. Gebruik je vijf bits dan kunnen er onderweg probleemloos twee fouten optreden.

Hoe meer fysieke qubits je gebruikt voor een logische qubit, hoe beter je foutencorrectie. Maar dit loont alleen als de fysieke qubits foutbestendig genoeg zijn, anders wordt je foutenprobleem vooral groter. Er is dus een drempelwaarde voor de kwaliteit van fysieke qubits.

Alleen daarboven wordt de foutencorrectie veel beter als je qubits toevoegt. In 2023 had de Google Quantum AI-onderzoeksgroep een quantumchip die rond die drempelwaarde zat. Hun nieuwe 105-qubit quantumchip, genaamd Willow, gaat daar nu ruim overheen.

De onderzoekers schaalden op van een logische qubit van drie-bij-drie fysieke qubits, naar vijf-bij-vijf en vervolgens naar zeven-bij-zeven. Elke stap halveerde het foutenpercentage. „Ik vind het een fantastisch resultaat”, zegt Tim Taminiau van onderzoeksinstituut QuTech, een samenwerking tussen TU Delft en TNO, die niet betrokken was bij het onderzoek.

„Het is een fundamentele stap naar toekomstige quantumcomputers.” Maar met deze foutencorrectie bij één logische qubit zijn de onderzoekers er nog niet. Voor nuttige berekeningen moeten ze flink opschalen.

Daarvoor zijn zeker duizenden, onderling gekoppelde, logische qubits nodig die veel rekenstappen doorlopen. Dat vraagt om miljoenen goed werkende, fysieke qubits. Ondertussen wordt er ook gewerkt aan andere qubittechnologieën en foutencorrectiesystemen die bijvoorbeeld minder fysieke qubits nodig hebben.

„Er zijn verschillende paden die we onderzoeken en de weg naar een nuttige quantumcomputer is lang”, zegt Taminiau. Het is nog te vroeg om te zeggen hoe toekomstige quantumcomputers eruit zullen zien. De onderzoekers onderwierpen Willow aan nog een test.

Ze lieten alle fysieke qubits, zonder foutencorrectie, een zogeheten benchmark-taak uitvoeren. De quantumchip deed de taak in minder dan vijf minuten, terwijl een hedendaagse supercomputer er 10 quadriljoen (10 25 ) jaar over zou doen. „Dit heeft zover ik weet nog geen nuttige toepassingen, maar het laat zien dat het een krachtige quantumchip is”, zegt Taminiau.

.