MIT ontwerpt qubit die kwantumcomputers sneller en stabieler moet maken

Kwantumcomputers moeten duizenden qubits foutloos met elkaar laten samenwerken om nuttige berekeningen te doen. Dat lukt tot nu toe slecht. Qubits zijn extreem gevoelig: de kleinste verstoring uit de omgeving veroorzaakt decoherentie, het verlies van de opgeslagen kwantuminformatie. Hoe meer qubits onderzoekers aan elkaar koppelen, hoe sneller die fouten zich opstapelen. Een team van MIT, onder leiding van hoogleraar Kevin O'Brien, denkt nu een oplossing te hebben gevonden met een compleet nieuw ontwerp: de zogeheten arm-qubit.

Een qubit met twee gescheiden taken

Gewone qubits doen twee dingen tegelijk: ze bewaren informatie én ze communiceren met andere onderdelen van het circuit, zoals naburige qubits of de elektronica die de uitkomst afleest. Die dubbele rol maakt ze kwetsbaar. Het MIT-team splitste beide taken op in twee fysiek gescheiden maar verbonden onderdelen. Het eerste onderdeel, de 'data-mode', is gebaseerd op een bestaand ontwerp met een lange coherentietijd: de tijd dat een qubit zijn informatie vasthoudt. Het tweede onderdeel, de 'arm-mode', reageert juist sterk op zijn omgeving en fungeert als een arm die naar andere onderdelen van de chip reikt. Doordat opslag en communicatie apart zijn georganiseerd, blijft de data-mode rustig terwijl de arm-mode het drukke verkeer met de rest van het circuit afhandelt.

Sterkere koppeling zonder extra ruis

De verbinding tussen beide onderdelen is de sleutel tot het ontwerp. De onderzoekers gebruikten een zelfontwikkeld component, de quartonkoppelaar, die een sterke nonlineaire koppeling mogelijk maakt: een manier van verbinden waarbij een verandering in het ene onderdeel direct de toestand van het andere beïnvloedt, onmisbaar voor kwantumbewerkingen. Normaal zorgt zo'n sterke koppeling voor bijeffecten die opstapelen zodra je meer qubits aan elkaar knoopt. Door de koppeling te concentreren in de arm-mode, blijft die vervuiling beperkt en kan de qubit toch snel en nauwkeurig schakelen voordat de informatie wegvloeit. In simulaties presteerde de arm-qubit beter dan bestaande supergeleidende ontwerpen: een langere coherentietijd, snellere bewerkingen en snellere uitlezing van de uitkomst. Die combinatie is precies wat nodig is voor kwantumfoutcorrectie, de techniek waarmee fouten in een berekening automatisch worden hersteld zodat langere en complexere algoritmes haalbaar worden.

Van simulatie naar silicium

Het onderzoek, gepubliceerd in Physical Review Applied, is voorlopig nog theoretisch werk op basis van simulaties. De volgende stap is het daadwerkelijk bouwen van de arm-qubit in het lab, om te testen of het ontwerp ook in de praktijk standhoudt. Pas dan wordt duidelijk of eventuele onvolkomenheden in het model over het hoofd zijn gezien. Slaagt de fabricage, dan kan de arm-qubit volgens de onderzoekers een bouwsteen worden voor toekomstige kwantumcomputers die fouten zelf corrigeren en daardoor lang genoeg foutvrij blijven rekenen om problemen op te lossen die voor gewone supercomputers onhaalbaar zijn.