Google-onderzoekers denken foutgevoeligheid qubits te kunnen verminderen

Waar een gewone computer met bits die of 0 of 1 zijn, werkt, werkt een kwantumcomputer met kwantumbits - ofwel qubits - die ook 0 en 1 tegelijkertijd kunnen zijn. Die qubits zijn van groot belang voor de ontwikkeling van kwantumcomputers: hoe meer qubits een kwantumcomputer ondersteunt, hoe meer rekenkracht het apparaat heeft.

Maar het is minstens net zo belangrijk dat de qubits zich op zo'n manier gedragen dat ze betrouwbare, foutvrije resultaten leveren. Een probleem is echter dat qubits erg onstabiel zijn, waardoor de meeste kwantumberekeningen nog vol fouten zitten. Google stelt dat de meeste applicaties een foutpercentage van slechts 10^-15 nodig hebben, schrijft ZDNet. De meeste kwantumplatformen hebben gemiddeld foutpercentages van 10^-3, wat betekent dat we daar nog lang niet zijn.

Fouten verminderen met stabilisatiecodes

Om de foutpercentages verder omlaag te brengen, wordt aan een techniek genaamd 'stabilisatiecode' gewerkt, die fouten direct binnen de kwantumprocessor kan detecteren en corrigeren. Dit wordt veelal gedaan door kwantumdata over veel verschillende qubits te distribueren. Vervolgens worden extra qubits ingezet om de informatie te volgen en om fouten te identificeren en te corrigeren. Deze complete groep aan qubits vormt een enkel cluster, dat ook wel de 'logical qubit' genoemd wordt. 

Volgens Google werden de principes van stabilisatiecodes tot nu toe vooral op theoretische wijze toegepast op verschillende platformen, maar was nog niet bewezen dat de methode op schaal in grotere systemen werkt. Dat is wel belangrijk, omdat de verwachting is dat praktische kwantumcomputers logical qubits met minstens 1.000 qubits die fouten opsporen nodig gaan hebben. 

De onderzoekers van Google hebben stabilisatiecodes getest op de kwantumprocessor Sycamore, waarbij ze begonnen met een logical qubit van vijf qubits. De qubits dienden afwisselend als data-qubits en als meet-qubits, die dus fouten moeten opsporen. De onderzoekers vergrootten het cluster steeds verder en ontdekten dat hoe groter de logical qubit is, hoe beter fouten gedetecteerd worden. Het grootste cluster waarmee getest werd - bestaande uit 21 qubits - zorgde zelfs voor een honderdvoudige vermindering van fouten in vergelijking met clusters van slechts vijf qubits. 

Meerdere rondes mogelijk

De wetenschappers hebben verder aangetoond dat de stabilisatiecodes meerdere rondes aan foutcorrecties door konden komen, wat volgens Google tot nu toe ook nog niet bewezen was. De onderzoekers ontdekten dat het foutonderdrukkingspercentage zelfs na 50 rondes met foutcorrecties stabiel bleef. 

Overigens is het experiment nog wel beperkt. De huidige kwantumcomputers kunnen nog geen 100 qubits ondersteunen, wat betekent dat het nog niet mogelijk is om de methode met de benodigde 1.000 qubits te testen. Sycamore ondersteunt momenteel slechts 54 qubits en dus nog veel minder logical qubits. De resultaten zijn nu dus slechts een proof-of-concept.