Fysieke qubit: het tastbare hart van een quantumcomputer

Bijgewerkt: 9 september 2026 · 5 min leestijd

Een fysieke qubit is de kleinste bouwsteen van een quantumcomputer: een echt, meetbaar object waarin informatie wordt opgeslagen volgens de wetten van de kwantummechanica. Vergelijk het met een muntstuk. Op tafel ligt het plat: kop of munt, net als de 0 of 1 van een gewone computerbit. Maar terwijl het muntstuk nog ronddraait in de lucht, is het geen van beide en allebei tegelijk. Pas als het valt en je kijkt, "kiest" het een kant. Zolang je een qubit niet afleest, kan hij in zo'n mengtoestand van 0 én 1 verkeren, een verschijnsel dat natuurkundigen superpositie noemen. Een fysieke qubit is het echte, tastbare apparaatje waarin die superpositie daadwerkelijk gemaakt en vastgehouden wordt: een stukje supergeleidend metaal, een gevangen atoom, een lichtdeeltje.

Het woord "fysiek" is hier belangrijk, omdat het qubits onderscheidt van logische qubits: virtuele, foutbestendige qubits die pas ontstaan wanneer je tientallen tot duizenden fysieke qubits slim met elkaar combineert. Fysieke qubits zijn namelijk extreem gevoelig. Trillingen, warmte, magnetische velden of zelfs kosmische straling kunnen hun kwantumtoestand verstoren, een proces dat decoherentie heet. Hoe langer een qubit zijn toestand vasthoudt en hoe nauwkeuriger je er rekenstappen mee kunt uitvoeren, hoe bruikbaarder hij is. Het bouwen van betere fysieke qubits, en het foutbestendig samenvoegen ervan, is een van de grootste technische obstakels in de quantumtechnologie van dit moment.

Wat is het precies?

Er bestaat niet één "juiste" manier om een fysieke qubit te bouwen. Onderzoekers en bedrijven volgen verschillende sporen, elk met eigen voor- en nadelen.

Suprageleidende qubits: piepkleine elektrische circuitjes, vaak van niobium, die tot vlak bij het absolute nulpunt (ongeveer -273°C) worden afgekoeld zodat ze stroom zonder weerstand geleiden. Informatie zit in de manier waarop stroom door het circuit trilt. Dit is de aanpak van IBM en Google.
Ionvallen (trapped ions): losse, elektrisch geladen atomen die met elektrische en magnetische velden in een vacuümkamer zweven en met laserlicht worden aangestuurd en uitgelezen. Gebruikt door IonQ en Quantinuum.
Fotonische qubits: informatie zit opgeslagen in eigenschappen van losse lichtdeeltjes (fotonen) die door glasvezel of geïntegreerde chips reizen. Voordeel: ze werken bij kamertemperatuur. Gebruikt door onder meer PsiQuantum en Xanadu.
Neutrale atomen: individuele atomen die met nauwkeurig gerichte laserlichtjes, zogeheten optische pincetten, op vaste plekken in een rooster worden vastgehouden. Gebruikt door QuEra, Pasqal en Atom Computing.
Topologische qubits: een experimentele en nog omstreden aanpak waarbij informatie zou worden opgeslagen in de collectieve toestand van exotische quasideeltjes in speciaal nanomateriaal, met als belofte dat ze van nature beter bestand zijn tegen storingen. Microsoft zet hier sterk op in.

Elke fysieke qubit heeft een foutkans per rekenstap, de zogeheten gate-fidelity. Bij de beste huidige systemen ligt die tussen ruwweg 0,1 en 1 procent per stap. Dat klinkt klein, maar bij duizenden bewerkingen achter elkaar stapelen fouten zich snel op. Daarom combineren onderzoekers meerdere fysieke qubits tot één foutbestendige logische qubit, met behulp van kwantumfoutcorrectiecodes zoals de veelgebruikte "surface code". Afhankelijk van de kwaliteit van de fysieke qubits zijn daarvoor nu nog tientallen tot honderden exemplaren per logische qubit nodig.

Wat wil men ermee bereiken?

Het uiteindelijke doel is een fouttolerante, universele quantumcomputer: een machine die met logische qubits lang genoeg foutloos kan blijven rekenen om problemen op te lossen die voor gewone computers onhaalbaar zijn. Gedacht wordt aan het simuleren van moleculen en materialen voor nieuwe medicijnen, batterijen of katalysatoren, aan complexe optimalisatievraagstukken in logistiek en financiën, en aan bepaalde vormen van cryptografie die door quantumcomputers gekraakt zouden kunnen worden.

Om daar te komen moet eerst de basis kloppen: fysieke qubits die lang genoeg stabiel blijven, nauwkeurig genoeg te besturen zijn, en in voldoende aantallen op één chip of systeem te combineren zijn. Dit is precies waarom zoveel onderzoek zich nu richt op het verbeteren van individuele fysieke qubits en op schaalbare manieren om ze te bekabelen, te koelen en aan te sturen. Zonder betere fysieke qubits blijft foutcorrectie te duur en blijven logische qubits buiten bereik.

Voorbeelden uit de praktijk

Google Sycamore (2019): een chip met 53 suprageleidende qubits waarmee Google claimde een berekening te hebben uitgevoerd die voor een klassieke supercomputer onhaalbaar zou zijn, een mijlpaal die destijds "quantum supremacy" werd genoemd en later deels werd genuanceerd door verbeterde klassieke simulaties.
Google Willow (december 2024): een opvolger van 105 suprageleidende qubits waarmee Google voor het eerst overtuigend liet zien dat foutcorrectie beter wordt naarmate je er meer fysieke qubits aan toevoegt, een cruciale drempel op weg naar bruikbare logische qubits.
IBM's schaalvergroting (2021-2023): van de Eagle-chip (127 qubits, 2021) via Osprey (433 qubits, 2022) naar Condor (1121 qubits, 2023). Daarna verlegde IBM de focus van kale aantallen naar kwaliteit, met de Heron-chips, en naar een roadmap richting een fouttolerante machine genaamd IBM Starling, die het bedrijf rond het einde van dit decennium hoopt te realiseren.
Harvard, MIT en QuEra (december 2023): de onderzoeksgroep van natuurkundige Mikhail Lukin publiceerde in Nature een experiment waarin 280 fysieke neutrale-atoomqubits werden omgezet in 48 werkende logische qubits, een van de duidelijkste demonstraties dat foutcorrectie met deze technologie werkt.
Microsoft Majorana 1 (februari 2025): een chip die Microsoft presenteerde als eerste stap richting topologische qubits, gebaseerd op zogeheten Majorana-achtige toestanden. Deze route is wetenschappelijk omstreden: eerdere claims van dezelfde onderzoekslijn uit 2018 en 2021 werden na kritiek ingetrokken, en onafhankelijke bevestiging van de nieuwe resultaten laat nog op zich wachten.

Hoe ver is de techniek?

De sector bevindt zich in wat onderzoekers de NISQ-fase noemen, van "Noisy Intermediate-Scale Quantum": systemen met honderden tot ruim duizend fysieke qubits, die nog te veel fouten maken en te weinig foutcorrectie hebben om routinematig nuttige, foutloze berekeningen te doen die klassieke computers niet aankunnen. Er bestaat op dit moment geen fouttolerante quantumcomputer die bewezen praktisch nut heeft opgeleverd buiten het laboratorium.

De vooruitgang is wel meetbaar. Het aantal fysieke qubits per chip is in enkele jaren tijd van tientallen naar duizenden gegroeid, en foutpercentages per rekenstap dalen gestaag. Het Willow-resultaat van Google (2024) en het logische-qubit-experiment van Harvard/QuEra (2023) worden breed gezien als bewijs dat de gekozen foutcorrectiestrategieën in principe werken. De grootste obstakels blijven: het aantal fysieke qubits verder opschalen zonder dat kwaliteit verslechtert, de bekabeling en besturingselektronica die daarvoor nodig is, de extreme koeltechniek bij suprageleidende systemen, en het omzetten van experimentele successen in stabiele, herhaalbare techniek buiten topinstituten. Tijdspaden die bedrijven noemen, zoals "een fouttolerante machine rond 2029", zijn ambities en geen zekerheden; vergelijkbare voorspellingen uit het verleden bleken vaak te optimistisch.

Wie werken eraan?

Onder de bedrijven lopen IBM, Google en Microsoft voorop, elk met een eigen technologische koers. Daarnaast zijn IonQ en Quantinuum (ontstaan uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum) toonaangevend in ionvaltechnologie, terwijl PsiQuantum en Xanadu zich richten op fotonische qubits en QuEra, Pasqal en Atom Computing op neutrale atomen. Ook Intel en Rigetti zijn actief in suprageleidende hardware.

Op onderzoeksgebied speelt de groep van Mikhail Lukin aan Harvard en MIT een sleutelrol, net als QuTech, het Nederlandse instituut van de TU Delft en TNO, dat werkt aan onder meer spin-qubits in silicium en eerder ook aan topologisch onderzoek. In China ontwikkelt de University of Science and Technology of China (USTC) zowel suprageleidende chips (Zuchongzhi) als fotonische systemen (Jiuzhang). Landen en regio's zoals de Verenigde Staten, China, Nederland en de Europese Unie investeren via nationale programma's en het EU Quantum Flagship fors in dit veld, wat het karakter heeft gekregen van een technologische wedloop.