EnglishEén korte meting vooraf halveert de fouten van een qubit
Een team onder leiding van de Universiteit van Regensburg liet een qubit vóór elke reeks berekeningen kort meten op welke frequentie hij zat, en stuurde daarna automatisch bij. Zo daalden de fouten met ongeveer 54 procent. De volgende stap is meer qubits tegelijk.
Kwantumcomputers maken nog veel fouten. Een deel van die fouten komt niet door de qubit zelf, maar doordat de besturing uitgaat van een instelling die niet meer klopt. Een internationaal team heeft dat probleem bij één qubit flink verkleind: met één korte meting vlak voor elke reeks berekeningen daalde het gemiddelde aantal fouten met ongeveer 54 procent.
Het onderzoek werd geleid door Ferdinand Kuemmeth, hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Universiteit van Regensburg in Duitsland en ook verbonden aan het Niels Bohr Instituut in Kopenhagen. Het staat in het vakblad Applied Physics Reviews; de universiteit maakte het op 3 november bekend. De proeven draaiden op een supergeleidende chip in het Israeli Quantum Computing Center. Eerste auteur Fabrizio Berritta, onderzoeker namens Regensburg die werkt bij het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de Verenigde Staten, bediende die apparatuur op afstand vanuit zijn kantoor. Ook de Universiteit Leiden, de Noorse technische universiteit NTNU en de bedrijven Quantum Machines en Qolab deden mee.
Een qubit die van frequentie verspringt
Een qubit is het rekenonderdeel van een kwantumcomputer. Bij dit type is het een klein supergeleidend stroomcircuit op een chip. Het wordt aangestuurd met korte pulsjes microgolven, dezelfde soort straling als in een magnetron, maar heel zwak. Die pulsjes moeten precies passen bij de eigen frequentie van de qubit, zoals een radio op de juiste zender moet staan om iets te horen.
Bij deze qubit zat een piepklein foutje in het materiaal van de chip. Daardoor sprong de frequentie van de qubit af en toe heen en weer tussen twee waarden. Stonden de pulsjes op de ene waarde terwijl de qubit op de andere zat, dan raakten ze hun doel niet goed. De qubit werkte nog, maar de berekening ging vaker mis.
Eerst kijken, dan sturen
Dat zo'n qubit twee mogelijke frequenties heeft, konden eerdere onderzoeken al meten. Nieuw is dat het team de besturing nu tijdens het rekenen zelf aanpast. Vóór elke reeks berekeningen zet het systeem de qubit kort in een begintoestand en meet het hem. De uitkomst van die meting hangt af van de frequentie waarop de qubit op dat moment zit. Na één meting weet de regelaar dus welke van de twee actief is.
Die meting duurt ongeveer twee miljoenste van een seconde, plus zo'n zes miljoenste van een seconde om het meetonderdeel weer klaar te zetten. Daarna stelt de regelaar de pulsjes meteen in op de juiste frequentie. Dat lukt alleen omdat de regelaar zelf snel genoeg rekent: hij heeft een programmeerbare chip die de meetgegevens direct verwerkt, zonder eerst een gewone computer erbij te halen.
De cijfers
In een test van ongeveer veertien minuten voerde het team steeds reeksen willekeurig gekozen bewerkingen uit. Zonder bijsturen ging gemiddeld 0,14 procent van de bewerkingen fout, met bijsturen 0,065 procent. Dat is ongeveer 54 procent minder fouten. Vergeleken met het slechtste moment zonder bijsturen, toen ongeveer 0,28 procent misging, was de daling 77 procent.
De methode heeft voorwaarden. De twee mogelijke frequenties moeten vooraf bekend zijn en goed van elkaar te onderscheiden. En de qubit moet lang genoeg op één frequentie blijven: hier waren dat meestal tientallen seconden, terwijl de meting miljoensten van een seconde duurt. De proef ging over één losse qubit. De volgende stap is laten zien dat het ook werkt bij meer qubits tegelijk en bij zogenoemde logische qubits, die uit meerdere qubits samen bestaan en zo fouten kunnen opvangen.
Kuemmeth zegt dat dit op het eerste gezicht een proef met weinig praktisch nut kan lijken. Maar toekomstige kwantumcomputers moeten miljoenen bijna perfecte qubits tegelijk laten werken, en ook in de zuiverste chips blijven dan losse foutjes zitten. Zijn groep heeft volgens hem al methodes ontwikkeld om ook onbekende frequenties van qubits automatisch en snel te vinden.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Kwantumcomputers kunnen straks rekenwerk doen dat voor gewone computers te zwaar is. Daarvoor moeten ze veel minder fouten maken dan nu. Dit onderzoek laat zien dat een deel van die fouten verdwijnt als de besturing zich vanzelf aanpast aan hoe de qubit zich op dat moment gedraagt. Bij een chip met miljoenen qubits kan niemand dat nog met de hand bijhouden, dus zulke zelfregelende besturing wordt dan een belangrijk onderdeel. Nu het bij één qubit werkt, is de weg vrij om het op grotere chips te proberen.
