Japanse onderzoekers sturen vijf quantumbits in silicium tegelijk aan, met bijna geen fouten
Onderzoekers van RIKEN in Japan stuurden vijf quantumbits op een siliciumchip tegelijk aan, via één gedeelde stuurlijn. Ze vonden de grootste foutenbron en hielden de nauwkeurigheid zo rond 99,9 procent. Dat helpt om grotere quantumcomputers te bouwen.
Onderzoekers van het Japanse onderzoeksinstituut RIKEN hebben vijf quantumbits tegelijk aangestuurd met een nauwkeurigheid van ongeveer 99,9 procent. Dat lukte via één gedeelde stuurlijn. Het team ontdekte wat de meeste fouten veroorzaakt als je meerdere quantumbits tegelijk bedient, en vond een slimme manier om dat te corrigeren. Het onderzoek verscheen in het vakblad Nature Physics.
Waarom silicium?
Een quantumcomputer rekent met quantumbits, of kortweg qubits. Er zijn verschillende manieren om zo'n qubit te maken. Een veelbelovende manier gebruikt silicium, hetzelfde materiaal als in gewone computerchips. Daarin wordt één elektron vastgehouden, en de draairichting van dat elektron (de 'spin') bewaart de informatie. Zulke spin-qubits kun je maken met de fabrieken en technieken die de chipindustrie al heeft. Dat maakt ze aantrekkelijk om later chips met heel veel qubits te bouwen.
Een qubit bestuur je met korte pulsjes microgolven, dezelfde soort straling als in een magnetron, maar dan heel zwak. Wil je een quantumcomputer met duizenden of miljoenen qubits, dan kun je niet elke qubit een eigen draad en een eigen stuurkastje geven: dat worden er veel te veel. Meerdere qubits moeten dus één stuurlijn delen en ook tegelijk bediend worden, anders gaat het rekenen veel te traag.
Het probleem: qubits storen elkaar
Juist dat tegelijk bedienen ging tot nu toe mis. Zodra je meerdere qubits tegelijk aanstuurt, maken ze veel meer fouten. Het team van RIKEN zocht uit waar dat door komt. De belangrijkste oorzaak heet het AC Stark-effect: de microgolven die voor de ene qubit bedoeld zijn, veranderen een klein beetje de eigenschappen van de andere qubits. Je kunt het vergelijken met een klok die net iets sneller gaat lopen zodra de buurman zijn radio aanzet. De qubit raakt daardoor een klein beetje uit de maat, en de bewerking pakt anders uit dan bedoeld.
De oplossing: per paar bijstellen
Je zou die verstoring kunnen corrigeren door elke mogelijke combinatie van qubits apart te meten en bij te stellen. Maar het aantal combinaties groeit razendsnel met elke qubit die erbij komt, dus bij een grote chip is dat onbegonnen werk. De onderzoekers bedachten een methode waarbij ze alleen steeds twee qubits samen hoeven bij te stellen. Volgens eerste auteur Yi-Hsien Wu, die de experimenten deed tijdens zijn promotieonderzoek, blijft het bijstellen zo ook bij grotere aantallen te doen. Medeauteur Leon Camenzind, die het werk begeleidde, noemt het een belangrijke stap om siliciumquantumchips groter te maken.
De resultaten
Afzonderlijk haalde elke qubit een nauwkeurigheid van ruim 99,99 procent: van de tienduizend bewerkingen ging er gemiddeld minder dan één mis. De beste kwam zelfs bijna op 99,999 procent. Met drie qubits tegelijk bleef de nauwkeurigheid boven 99,99 procent. Met alle vijf tegelijk lag hij rond 99,9 procent. Volgens de onderzoekers ligt dat dicht bij het niveau dat nodig is voor een quantumcomputer die zijn eigen fouten kan herstellen.
Helemaal weg zijn de fouten nog niet. Om vijf qubits tegelijk te besturen is meer microgolfvermogen nodig, en dat verstoort de qubits ook een beetje. Het team verwacht dat een beter ontwerp van de chip dit kan verminderen. Dat is de volgende stap. Het werk hoort bij een groot Japans onderzoeksprogramma (Moonshot) onder leiding van Seigo Tarucha, met als doel een foutbestendige quantumcomputer van silicium.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Quantumcomputers kunnen straks berekeningen doen die voor gewone computers onhaalbaar zijn, bijvoorbeeld bij het ontwerpen van nieuwe materialen en medicijnen. Daarvoor zijn heel veel qubits nodig die samen nauwkeurig werken. Dit onderzoek laat zien dat qubits in silicium een stuurlijn kunnen delen en tegelijk kunnen werken, zonder dat de nauwkeurigheid instort. Het gaat nu nog om vijf qubits in een lab. Maar omdat silicium aansluit bij de bestaande chipindustrie, komt de weg naar chips met veel meer qubits weer een stukje dichterbij.
