Wetenschappers voorkomen kwantumfouten door een kwantumsysteem constant te observeren

Een kwantumcomputer gebruikt bits die niet alleen 0 of 1, maar ook 0 en 1 tegelijk kunnen zijn. Zulke qubits zijn fragiel: door ongewenste interacties met de omgeving ondergaat de kwantuminformatie continu oncontroleerbare veranderingen, wat kan leiden tot fouten in de berekening. Het team onder leiding van Tim Taminiau heeft een methode toegepast om deze veranderingen tegen te gaan, namelijk door gebruik te maken van het zogeheten kwantum Zeno-effect.

Door kwantumbits, opgeslagen in spins in diamant, herhaaldelijk te observeren, konden de wetenschappers voorkomen dat ze veranderden. De resultaten van dit onderzoek zijn niet alleen belangrijk voor inzicht in het effect van metingen op kwantumtoestanden, maar ook voor het detecteren van fouten in kwantumberekeningen. Dat is cruciaal voor de ontwikkeling van een werkende kwantumcomputer. De wetenschappers publiceerden over hun onderzoek, in Nature Communications.

Kwantumsuperpositie

Bij instituut Qutech aan de TU Delft wordt gewerkt aan de computer van de toekomst: de kwantumcomputer. Deze computer gebruikt de tegenintuïtieve wetten van de kwantummechanica om bepaalde berekeningen te doen die ver buiten de mogelijkheden van de beste klassieke computers liggen. Dit komt doordat de bouwstenen van de kwantumcomputer, kwantumbits, niet alleen ‘0′ of ‘1′ kunnen zijn maar ook ‘0′ én ‘1′ tegelijkertijd. Dat heet ‘kwantumsuperpositie’.

Zeno’s paradox

De Griekse filosoof Zeno van Elea stelde in zijn paradox van de vliegende pijl dat een pijl in vlucht zich niet beweegt. Want, zei hij, als je de pijl op één punt in de tijd bekijkt, bevindt deze zich op een vaste plaats en is de pijl dus feitelijk in rust. En als een vliegende pijl op elk willekeurig moment in rust is, is hij dat dus ook gedurende zijn hele vlucht.

Deze paradox is voor klassieke mechanica, zoals voor de vliegende pijl, opgelost met behulp van differentiaalrekening, maar in de kwantummechanica worden veranderingen wél beperkt door observatie: het kwantum Zeno-effect. Wanneer een eigenschap van een kwantumtoestand wordt gemeten, wordt het systeem als het ware  geprojecteerd in een toestand die compatibel is met deze eigenschap. Een qubit in een superpositie van ‘0′ en ‘1′ wordt bijvoorbeeld door een meting geprojecteerd in ‘0′ of ‘1′ en herhaalde projecties bevriezen het systeem in die toestand.

Gedeelde eigenschappen

Het volledig beperken van een kwantumtoestand door het projecteren van een enkele qubit laat geen ruimte voor bruikbare berekeningen. Maar projecties van gedeelde eigenschappen in systemen van meerdere qubits leiden wel tot nieuwe mogelijkheden.

Dit projecteren van gedeelde eigenschappen van qubits lijkt een beetje op het groeperen van driedimensionale objecten aan de hand van hun tweedimensionale schaduwen. Binnen een groep zijn bepaalde transformaties mogelijk (bijvoorbeeld van kubus naar cilinder) terwijl andere, ongewenste, veranderingen (bijvoorbeeld naar een bol) kunnen worden onderdrukt door continu te observeren. Op een soortgelijke manier kunnen observaties van gedeelde eigenschappen tussen meerdere qubits ook subsystemen vormen. Hierdoor kunnen ongewenste veranderingen worden geblokkeerd terwijl er wel ruimte is voor kwantumberekeningen binnen het geprojecteerde subsysteem.

Diamant

De wetenschappers van Qutech hebben zulke kwantum Zeno-subsystemen gerealiseerd in drie kernspins in diamant. Door gedeelde eigenschappen van deze kernspins te projecteren via een elektronspin worden beschermde kwantumtoestanden in Zeno-subsystemen gerealiseerd. De wetenschappers laten hiermee zien dat een kwantumtoestand langer kan worden bewaard wanneer de gedeelde eigenschappen vaker worden  geprojecteerd en leiden hieruit een wiskundig relatie af die onafhankelijk is van het aantal spins.

De gepresenteerde methodes en inzichten maken het mogelijk om de invloed van herhaaldelijk projecteren van kwantuminformatie met diverse verstoringen verder te onderzoeken. Bovendien ligt het projecteren van gedeeltelijke eigenschappen aan de basis van veel kwantumfoutcorrectieprotocollen, die essentieel zijn voor bruikbare kwantumberekeningen.

Experimental creation of quantum Zeno subspaces by repeated multi-spin projections in diamond. N. Kalb, J. Cramer, D.J. Twitchen, M. Markham, R. Hanson and T.H. Taminiau
DOI: 10.1038/ncomms13111