Een Potentiële Kwantumsprong

Harvard-fysici hebben een systeem onthuld dat een langblijvend obstakel voor een nieuwe generatie supercomputers kan oplossen. De droom om baanbrekende quantumcomputers te creëren – supermachines die informatie coderen in enkele atomen in plaats van conventionele bits – is gehinderd door de stevige uitdaging genaamd kwantumfoutcorrectie.

In een artikel dat maandag in Nature is gepubliceerd, toonden Harvard-onderzoekers een nieuw systeem aan dat in staat is om fouten te detecteren en te verwijderen onder een kritieke prestatiedrempel, wat mogelijk een werkbare oplossing biedt voor dit probleem. “Voor het eerst hebben we alle essentiële elementen voor schaalbare, foutcorrecte kwantumcomputatie samengebracht in een geïntegreerde architectuur,” zei Mikhail Lukin, co-directeur van het Quantum Science and Engineering Initiative. “Deze experimenten – gemeten aan verschillende criteria de meest geavanceerde die tot nu toe op een kwantumplatform zijn uitgevoerd – creëren de wetenschappelijke basis voor praktische grootschalige kwantumcomputatie.”

In het nieuwe artikel demonstreerde het team een “fouttolerant” systeem dat gebruik maakt van 448 atomische kwantumbits, gemanipuleerd met een ingewikkelde reeks technieken om fouten te detecteren en te corrigeren. De belangrijkste mechanismen omvatten fysieke verstrengeling, logische verstrengeling, logische magie, en entropieverwijdering. Het systeem maakt bijvoorbeeld gebruik van “kwantumteleportatie” – het overdragen van de kwantumtoestand van het ene deeltje naar een ander elders zonder fysieke aanraking.

“Er zijn nog veel technische uitdagingen om een computer op grote schaal met miljoenen qubits te bereiken, maar dit is de eerste keer dat we een architectuur hebben die conceptueel schaalbaar is,” zei hoofdauteur Dolev Bluvstein, die het onderzoek deed tijdens zijn postdoctorale studies aan Harvard en nu assistent-professor is aan Caltech. “Het zal veel moeite en technische ontwikkeling kosten, maar het wordt duidelijk dat we fouttolerante quantumcomputers kunnen bouwen.”

De Harvard-gegeleide samenwerking omvatte onderzoekers van MIT en werd gezamenlijk geleid door Lukin, Markus Greiner, en Vladan Vuletić van MIT. Het team doet onderzoek in samenwerking met QuEra Computing, een startup die is voortgekomen uit Harvard-MIT-laboratoria.

Dit nieuwe artikel vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in een zoektocht van drie decennia naar kwantumfoutcorrectie. Conventionele computers coderen informatie in binaire code van nullen en enen. Quantumcomputers slaan informatie op in subatomaire deeltjes waarvan de tegenintuïtieve eigenschappen van de kwantumfysica veel meer verwerkingskracht kunnen bereiken.

In conventionele computers is de meest basale eenheid van informatie een “bit”; in kwantumsystemen is de basiseenheid een “qubit”. In conventionele computers verdubbelt het verdubbelen van het aantal bits de verwerkingskracht; in kwantumsystemen verhoogt het toevoegen van qubits exponentieel de kracht vanwege een fenomeen dat kwantumverstrengeling heet.

Theoretisch kan een systeem van 300 kwantumbits meer informatie opslaan dan het aantal deeltjes in het bekende universum. Met zo’n enorme kracht hebben quantumcomputers de potentie om doorbraken te leveren in gebieden zoals geneesmiddelenonderzoek, cryptografie, machine learning, kunstmatige intelligentie, financiën en materiaald ontwerp.

Echter, er zijn obstakels die moeten worden overwonnen om dit revolutionaire potentieel te realiseren. De belangrijkste hiervan is de foutpercentage. Qubits zijn van nature kwetsbaar voor het verliezen van hun kwantumtoestanden en de bijbehorende informatie, waardoor foutcorrectie een kernvoorwaarde is voor het bereiken van grote quantumsystemen.

In het nieuwe artikel combineerde het team verschillende methoden om complexe circuits met tientallen foutcorrectie lagen te creëren. Het systeem onderdrukt fouten tot onder een kritische drempel – het punt waarop het toevoegen van qubits de fouten verder vermindert in plaats van ze te verhogen.

“Er zijn veel belangrijke theoretische voorstellen gedaan over hoe je foutcorrectie zou moeten implementeren,” aldus Alexandra Geim, een van de hoofdauteurs van het nieuwe artikel. “In dit artikel hebben we ons echt gericht op het begrijpen van de kernmechanismen die schaalbare, diepe circuitcomputatie mogelijk maken. Door dat te begrijpen, kun je in wezen dingen verwijderen die je niet nodig hebt, je overhead verminderen, en sneller naar een praktische regime gaan.”

Lukin merkte op dat jaren van experimenten hebben aangetoond hoe enkele technische uitdagingen kunnen worden overwonnen en andere kunnen worden vermeden. “We realiseren ons welke van deze knelpunten echt zijn en welke knelpunten je gewoon kunt omzeilen,” zei hij. “Uiteindelijk is de natuurkunde een experimentele wetenschap. Door deze fundamentele ideeën in een laboratorium te realiseren en te testen, begin je echt het licht aan het einde van de tunnel te zien.”

Onderzoekers over de hele wereld bestuderen een verscheidenheid aan potentiële platforms voor qubits, waaronder verschillende types atomen, ionen en supergeleiding qubits. Het Harvard-team is gespecialiseerd in neutrale atomen van het element rubidium. Ze gebruiken lasers om de configuratie van elektronen te veranderen zodat de atomen informatie-dragende qubits kunnen worden.

Hartmut Neven, vice-president engineering bij het Google Quantum AI-team, beschouwde het nieuwe artikel als een “ongelooflijk spannende” race tussen qubit platforms. “Dit werk vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang op weg naar ons gezamenlijke doel om een grootschalige, nuttige quantumcomputer te bouwen.”

Met recente vorderingen gelooft Lukin dat de kerncomponenten voor het bouwen van quantumcomputers op hun plaats vallen. “Deze grote droom die velen van ons al decennia koesteren, is voor het eerst echt in zicht,” zei hij.