Duizend-en-één stappen terugbrengen tot 1 kan binnenkort zomaar geen sprookje meer zijn

Duizenden stappen terugbrengen tot één enkele cyclus kan een belangrijk verschil maken voor de betrouwbaarheid van quantumcomputers. Een nieuw ontwikkelde methode voor het aansturen van quantuminformatie versnelt complexe bewerkingen met meer dan een factor duizend. Doordat de informatie veel korter aan verstoringen wordt blootgesteld, neemt ook de kans op fouten af.

Fouten vormen een van de belangrijkste obstakels voor praktisch bruikbare quantumcomputers. Qubits zijn zeer gevoelig voor verstoringen zoals elektrische ruis, temperatuurvariaties en kosmische straling. Hoe langer een quantumbewerking duurt, hoe groter de kans dat de toestand van het systeem wordt verstoord voordat een fout kan worden gecorrigeerd.

Een mogelijke oplossing is het gebruik van ‘bosonische’ quantumcodes. Daarbij wordt quantuminformatie niet rechtstreeks in afzonderlijke qubits opgeslagen, maar bijvoorbeeld in de toestanden van microgolfvelden in supergeleidende resonatoren. Zulke codes kunnen van zichzelf bescherming bieden tegen bepaalde soorten fouten. Onderzoekers van de Chalmers University of Technology hebben daarmee een methode ontwikkeld die bepaalde bewerkingen in quantumcomputers meer dan duizend keer sneller zou kunnen uitvoeren.

Duizenden theoretische cycli

Het maken en manipuleren van deze toestanden is ingewikkeld. Bestaande methoden bouwen de gewenste quantumtoestand vaak stap voor stap op. Daarbij kunnen duizenden periodieke aansturingscycli nodig zijn. Dat kost niet alleen tijd, maar vergroot ook de periode waarin fouten kunnen ontstaan.

De onderzoekers van Chalmers pakken dit anders aan. Hun methode maakt gebruik van zogenoemde quantum lattice gates: elementaire bewerkingen waarmee complexere bosonische toestanden rechtstreeks kunnen worden aangestuurd. In combinatie met Floquet-control, waarbij het systeem met periodieke signalen wordt aangedreven, kunnen de onderzoekers bepaalde bewerkingen binnen één enkele cyclus realiseren.

Een belangrijk voordeel is dat de methode kan worden toegepast op bestaande supergeleidende quantumcircuits. Dat maakt een experimentele demonstratie mogelijk zonder dat daarvoor een volledig nieuwe hardwarearchitectuur hoeft te worden ontwikkeld. Chalmers werkt zelf aan een quantumcomputer met honderd qubits en bespreekt inmiddels mogelijkheden om de methode daar experimenteel te testen.

Zoals zo vaak, zijn ook deze resultaten vooralsnog theoretisch. Een experimentele demonstratie moet dus nog aantonen hoe groot de snelheids- en betrouwbaarheidswinst in werkelijke quantumhardware is.