Kruistalk: waarom qubits elkaar in de weg zitten
Stel je twee oude telefoonlijnen voor die vlak naast elkaar door dezelfde kabelgoot lopen. Soms hoor je op je eigen lijn vaag een gesprek van de buren meepraten. Dat ongewenste overspreken heet in de techniek crosstalk, in het Nederlands ook wel kruistalk genoemd. In de wereld van quantumcomputers is dat precies wat er kan gebeuren tussen twee qubits, de kleinste rekeneenheden van een quantumcomputer: een instructie die voor de ene qubit bedoeld is, sijpelt een beetje door naar de qubit ernaast en verstoort die.
Dat klinkt misschien als een klein technisch mankement, maar het is een van de grootste hoofdpijndossiers in de huidige quantumtechnologie. Qubits zijn extreem gevoelig: ze verliezen hun bijzondere quantumeigenschappen al bij het geringste storende signaal uit hun omgeving. Kruistalk is zo'n storend signaal, en omdat quantumcomputers juist afhankelijk zijn van foutloze, nauwkeurige bewerkingen, kan zelfs een kleine hoeveelheid overspraak een rekenresultaat onbruikbaar maken.
Wat is het precies?
Een qubit is de quantumversie van een bit, de eenheid waarin gewone computers informatie opslaan als 0 of 1. Een qubit kan dankzij een quantumeigenschap die superpositie heet tegelijk iets van 0 én iets van 1 zijn, wat quantumcomputers in potentie geschikt maakt voor bepaalde berekeningen die voor klassieke computers onbegonnen werk zijn.
Om iets nuttigs te berekenen, moet een quantumcomputer qubits met elkaar laten samenwerken via zogeheten gates: korte, precieze ingrepen die de toestand van een of twee qubits veranderen. Voor gates met twee qubits moeten die qubits fysiek dicht bij elkaar liggen of anderszins met elkaar gekoppeld zijn, zodat ze elkaar kunnen beïnvloeden op het moment dat dat gewenst is.
Die noodzakelijke nabijheid is meteen de bron van het probleem. Bij de meest gebruikte technologie, supergeleidende qubits (piepkleine elektrische circuits die bij temperaturen vlakbij het absolute nulpunt quantumgedrag vertonen), worden qubits aangestuurd met microgolfpulsen. Een puls die bedoeld is voor qubit A kan gedeeltelijk ook qubit B raken, simpelweg omdat ze dicht op elkaar zitten en dezelfde soort bedrading gebruiken. Daarnaast kunnen naburige qubits ook zonder dat er een gate wordt uitgevoerd voortdurend een beetje met elkaar reageren, een verschijnsel dat onderzoekers ZZ-crosstalk of always-on koppeling noemen: de qubits 'voelen' elkaars aanwezigheid continu, wat de energietoestand van beide subtiel verschuift.
Onderzoekers maken onderscheid tussen statische kruistalk, die er altijd is door de fysieke opstelling van de chip, en dynamische kruistalk, die alleen optreedt tijdens het uitvoeren van bewerkingen. Beide vormen verhogen het foutenpercentage van een quantumcomputer, en dat is een probleem dat groter wordt naarmate er meer qubits op een chip staan en er meer bewerkingen tegelijk worden uitgevoerd.
Wat wil men ermee bereiken?
Het doel is niet kruistalk zelf, maar het onderdrukken en beter begrijpen ervan. Elke fout die een qubit maakt, telt mee in de totale betrouwbaarheid van een berekening, en quantumberekeningen bestaan vaak uit honderden of duizenden opeenvolgende gates. Zonder ingrijpen stapelen fouten door kruistalk zich snel op, waardoor de uitkomst van een berekening ruis wordt in plaats van een bruikbaar antwoord.
Om hiermee om te gaan, gebruiken quantumcomputers quantumforutcorrectie: een techniek waarbij meerdere fysieke qubits samen één zogeheten logische qubit vormen die fouten kan opvangen. Hoe hoger het foutenpercentage door onder meer kruistalk, hoe meer fysieke qubits er nodig zijn om één betrouwbare logische qubit te bouwen. Kruistalk onderdrukken betekent dus direct: minder overhead, compactere en efficiëntere machines, en sneller op weg naar quantumcomputers die groot en betrouwbaar genoeg zijn voor praktische toepassingen zoals het simuleren van moleculen voor medicijnontwikkeling, optimalisatieproblemen in logistiek, of onderzoek naar nieuwe materialen.
Voorbeelden uit de praktijk
Google's Sycamore-processor, bekend van het spraakmakende experiment in 2019 met 53 qubits waarmee het bedrijf claimde een taak sneller te hebben uitgevoerd dan enige klassieke supercomputer, kampte tijdens de ontwikkeling met merkbare kruistalk tussen naburige qubits. In vervolgpublicaties, onder meer rond 2021, beschreven Google-onderzoekers methoden om zulke overspraak en verwante lekfouten (waarbij een qubit per ongeluk buiten zijn twee gebruikte toestanden terechtkomt) systematisch te karakteriseren en te verminderen.
IBM Quantum gebruikt op zijn supergeleidende processors technieken als simultaneous randomized benchmarking, een meetmethode waarbij meerdere qubits tegelijk worden getest om te zien hoeveel extra fouten ontstaan wanneer ze gelijktijdig actief zijn in plaats van apart. Zo brengt het bedrijf kruistalk tussen specifieke qubitparen in kaart.
Bij de Heron-processor die IBM eind 2023 presenteerde, is gekozen voor zogeheten tunable couplers: instelbare verbindingselementen tussen qubits waarmee de always-on koppeling (de ZZ-crosstalk die hierboven is beschreven) actief kan worden verzwakt wanneer die niet nodig is. Volgens IBM levert dat een merkbare verbetering op ten opzichte van eerdere generaties chips zoals Eagle, al blijft kruistalk ook op Heron een aandachtspunt.
Niet alle quantumtechnologie werkt met supergeleidende circuits. QuTech, het quantumonderzoeksinstituut van de TU Delft, ontwikkelt onder meer spin-qubits: qubits gebaseerd op de spin (een quantummechanische eigenschap die zich laat vergelijken met een piepklein draaiend magneetje) van een enkel elektron in silicium. Om ruis te beperken, gebruiken deze onderzoekers isotopisch gezuiverd silicium-28, een variant van silicium met minder verstorende kernspins. Ook bij dicht opeengepakte spin-qubits is overspraak tussen naburige elektronen een bekend punt van aandacht in het onderzoek naar schaalbare siliciumchips.
Bij een heel andere aanpak, quantumcomputers op basis van gevangen ionen (zoals bij de bedrijven IonQ en Quantinuum), liggen de qubits letterlijk verder uit elkaar: het zijn afzonderlijke geladen atomen die met laserlicht worden bestuurd en vastgehouden in een elektromagnetische val. Die grotere fysieke afstand maakt kruistalk doorgaans kleiner dan bij supergeleidende chips, maar volledig afwezig is het niet: wanneer een laserstraal een specifiek ion moet aansturen, kan er altijd een beetje licht 'uitlekken' naar het ion ernaast, wat opnieuw als kruistalk optreedt.
Hoe ver is de techniek?
De huidige generatie quantumcomputers wordt vaak aangeduid met de term NISQ, wat staat voor noisy intermediate-scale quantum: machines met enkele tientallen tot een paar honderd qubits die nog altijd relatief veel ruis en fouten hebben, kruistalk incluis. Er is duidelijke vooruitgang: naast tunable couplers experimenteren onderzoeksgroepen met slimmere plaatsing van qubits op de chip (zodat ze net iets verschillende resonantiefrequenties krijgen en minder met elkaar interfereren), met zogeheten dynamical decoupling-pulsen die de ongewenste interacties actief uitmiddelen, en met machine learning-modellen die de kalibratie van een hele chip automatisch optimaliseren.
Toch blijft schaalvergroting het grootste obstakel. Hoe meer qubits er op een chip staan en hoe dichter ze bij elkaar liggen, des te lastiger het wordt om kruistalk onder controle te houden. Er is een fundamentele afweging tussen compactheid (nodig om ooit tot duizenden of miljoenen qubits te komen, zoals vereist is voor grootschalige foutgecorrigeerde quantumcomputers) en de mate van overspraak die daarbij ontstaat. Hoe snel die afweging beter beheersbaar wordt, is onzeker: schattingen van onderzoekers en bedrijven over wanneer grootschalige, foutgecorrigeerde quantumcomputers beschikbaar komen lopen sterk uiteen, van rond het einde van dit decennium tot ruim daarna, en kruistalk is slechts een van de vele technische hobbels die op die weg genomen moeten worden.
Wie werken eraan?
Aan de bedrijfskant zijn Google Quantum AI, IBM Quantum, Rigetti Computing en Intel de belangrijkste partijen die met supergeleidende of spin-qubits werken en actief onderzoek publiceren naar kruistalkonderdrukking. IonQ en Quantinuum doen hetzelfde voor de ionenval-technologie. Op onderzoeksinstituutniveau is QuTech in Delft, een samenwerking tussen de TU Delft en de Nederlandse organisatie voor toegepast natuurwetenschappelijk onderzoek TNO, een van de bekendere Europese spelers, met specifieke expertise in spin-qubits en quantumnetwerken. Ook academische groepen aan onder meer MIT, Yale University en ETH Zürich publiceren regelmatig over het meten en beperken van kruistalk.
Daarnaast wordt het onderzoek gestimuleerd door grote overheidsprogramma's: het Amerikaanse National Quantum Initiative, het Europese Quantum Flagship-programma (waarin ook Nederlandse instituten meedraaien) en vergelijkbare nationale initiatieven in onder meer China en het Verenigd Koninkrijk. Deze programma's financieren zowel fundamenteel onderzoek naar de oorzaken van kruistalk als de ontwikkeling van chips waarin het probleem structureel kleiner is.