Zweedse natuurkundigen maken kwantumbewerkingen duizend keer sneller

Kwantumcomputers hebben de potentie om doorbraken te forceren in geneesmiddelenontwikkeling, energietechnologie, cryptografie en logistiek. Maar voordat het zover is, moeten de machines veel betrouwbaarder worden. Het probleem zit in de bouwstenen van een kwantumcomputer, de zogeheten qubits. Deze zijn extreem gevoelig voor storingen zoals elektrische ruis, kosmische straling en warmte. Hoe langer een berekening duurt, hoe meer kans die storingen krijgen om fouten te veroorzaken. Bij te veel fouten mislukt de hele berekening, een verschijnsel dat bekendstaat als decoherentie.

Klassieke computers kennen al decennia goede methodes om fouten snel op te sporen en te herstellen. Voor kwantumsystemen is dat veel lastiger, omdat de informatie die ze verwerken zo broos is. Een veelbelovende aanpak is het gebruik van zogeheten bosonische kwantumcodes. Daarbij wordt informatie niet in losse qubits opgeslagen, maar in microgolfvelden binnen supergeleidende circuits. Dat biedt volgens de onderzoekers ingebouwde bescherming tegen bepaalde typen fouten.

Van duizenden stappen naar één

Het werken met deze bosonische codes was tot nu toe omslachtig. Het opbouwen en besturen van de gewenste kwantumtoestanden vereiste duizenden herhaalde stuurcycli, een techniek die bekendstaat als Floquet-besturing. Elke extra cyclus betekende weer een kans op verstoring van buitenaf. Onderzoekers Lei Du en Tangyou Huang van Chalmers ontdekten een kortere route. Met hun methode kunnen uiteenlopende kwantumbewerkingen op bosonische toestanden binnen één enkele stuurcyclus worden uitgevoerd, in plaats van de duizenden cycli die eerder nodig waren. Dat maakt de bewerkingen niet alleen sneller, maar ook minder kwetsbaar voor fouten voordat het proces is afgerond.

Bouwstenen die als kant-en-klare modules werken

De doorbraak is gebaseerd op wat de onderzoekers kwantumroosterpoorten noemen, een eerder door hetzelfde team voorgestelde verzameling basisbewerkingen. Huang vergelijkt het met het bouwen van een Lego-kasteel: in plaats van steen voor steen te bouwen en fouten te riskeren, werken de nieuwe poorten als voorgebouwde Lego-modules die snel aan elkaar te koppelen zijn. Het resultaat is een bewerking die duizend keer sneller verloopt dan met de traditionele, stapsgewijze aanpak.

De techniek is toegesneden op supergeleidende kwantumcomputers, een van de meest gebruikte technologieën in de race naar grootschalige kwantumcomputing. Chalmers werkt zelf ook aan een kwantumcomputer met honderd qubits op basis van deze supergeleidende chips. Een belangrijk voordeel is dat de methode is te implementeren op bestaande supergeleidende platforms, zonder dat daarvoor volledig nieuwe hardware nodig is. De onderzoekers zijn al in gesprek met collega's op Chalmers over een experimentele test. Het onderzoek, uitgevoerd met de universiteit van Tianjin in China, is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.