Google claimt doorbraak in stabielere kwantumtechnologie

Het Quantum AI-team van Google heeft een nieuwe methode genaamd 'surface code' gepubliceerd, die volgens het team voor het eerst in praktijk laat zien dat foutcorrectie van instabiele qubits op grote schaal mogelijk is. Instabiele qubits zijn een groot obstakel bij het bouwen van kwantumcomputer-hardware die voldoende capaciteit heeft voor het uitvoeren van praktische toepassingen.

Thijs DoorenboschMeer van deze auteur

Qubits - de basis van berekeningen in een kwantumcomputer zoals bits dat zijn in huidige computers - zijn zeer storingsgevoelig. Hoewel tegenwoordig kwantumcomputers gebouwd worden met enkele honderden qubits zijn die maar heel beperkt bruikbaar vanwege die instabiliteit. Om daarvoor te corrigeren is een veelvoud aan fysieke qubits nodig, die samen dan één logische qubit worden genoemd. Er is daarom op vele fronten een zoektocht gaande naar stabielere qubits of naar een efficiënter mechanisme om te corrigeren voor de instabiliteit van de fysieke qubits.

Google beschrijft nu in een artikel, dat is gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijk tijdschrift Nature, een methode voor zo'n efficiëntere foutcorrectie. The Register sprak met een van de auteurs, Hartmut Nevan. Die schetste hoe eerdere pogingen om tot foutcorrectie te komen een heilloze weg bleken. Hoe meer fysieke qubits werden samengebundeld tot logische qubits om lagere foutmarges te bereiken, werd het omgekeerde bereikt. Hoe meer qubits, des te meer 'gates' die uitgelezen moesten worden, waardoor de kans op fouten weer toenam.

Hoe groter, hoe beter

De aanpak die een enorm aantal auteurs in het wetenschappelijk artikel voorstelt, definieert logische qubits opnieuw. Ze definiëren ook dataqubits en meetqubits. De meetqubits worden periodiek ingezet fouten te detecteren. Aan een groepje (surface code) van drie maal drie dataqubits - dus negen fysieke qubits - worden acht meetqubits toegevoegd, zodat een logische qubit uit zeventien fysieke qubits bestaat. Het team heeft ook een grotere surface code gemaakt van vijf maal vijf dataqubits waaraan 24 meetqubits zijn toegevoegd, zodat 49 fysieke qubits samen een logische qubit vormen.

Uit testen met deze methode op Google eigen hardware, bleek dat de grotere surface code betere prestaties oplevert dan de kleinere. In het eerste geval 2,914% logische fouten per cyclus tegen 3,028% fouten bij de kleinere surface code. Daarmee is volgens Julian Kelly - een andere auteur die The Register sprak - voor het eerst aangetoond dat de prestaties van een logische qubit toenemen met de schaal waarop foutcorrectie wordt toegepast.

Nog een lange weg te gaan

Google streeft ernaar een kwantumcomputer te bouwen waarbij duizend fysieke qubits samen een zeer betrouwbare logische qubit opleveren. Met de voorgestelde methode lijkt de weg vrij om grotere surface codes te creëren waarbij de prestaties toenemen in plaats van afnemen zoals bij de eerder aanpak. Het zijn kleine maar significante stappen op weg naar een kwantumcomputer die kan worden ingezet voor het oplossen van problemen uit de praktijk. Daarvoor zijn systemen nodig met miljoenen fysieke qubits. De grootste kwantumsystemen die nu zijn ontwikkeld zijn gebaseerd op een aantal in de ordegrootte van enkele honderden qubits.