Dat quantumcomputers fouten kunnen maken, heeft alles te maken met de qubits die worden gebruikt. Waar een gewone computer informatie verwerkt in bits – nullen en enen – gebruikt een quantumcomputer qubits die zich kunnen gedragen als een combinatie van nul en een. Dit is het quantummechanische principe van superpositie. Ook kunnen meerdere qubits op een bijzondere manier met elkaar verbonden zijn, wat verstrengeling wordt genoemd. Daardoor kunnen quantumcomputers bepaalde berekeningen mogelijk veel efficiënter uitvoeren dan gewone computers.
Maar qubits zijn buitengewoon kwetsbaar. Warmte, trillingen, elektromagnetische verstoringen en onnauwkeurige besturing kunnen al fouten veroorzaken. Bovendien kun je een qubit niet zomaar voortdurend uitlezen om te controleren of alles nog goed gaat: een meting verandert namelijk de quantumtoestand.
Hoe langer en ingewikkelder een berekening is, hoe meer de fouten zich opstapelen. “We zitten nu in een fase waarin we qubits kunnen maken die goed genoeg zijn om er fouten in op te sporen”, zegt Jonas Helsen. “Dat heeft geleid tot de ontwikkeling van early fault-tolerant quantum computers (FTQC’s) die tijdens de berekening de fouten moeten opsporen en corrigeren. Maar dat is geen kant-en-klaar proces.”
Testprogramma’s
Dergelijke opsporings- en correctiemethoden staan nog in de kinderschoenen. Helsen werkt al jaren aan de vraag wat er misgaat met qubits. Hij ontwikkelt onder meer testprogramma’s die de kwaliteit van fysieke qubits meten en vertellen wat de qubits wel en niet goed doen. Op basis daarvan wordt de apparatuur verbeterd en opnieuw getest. “Deze aanpak ga ik nu naar de FTQC-wereld brengen.”
Helsen krijgt een ERC starting grant waarmee hij vijf jaar lang zal werken aan manieren om tot betrouwbare fouttolerante quantumcomputers te komen. Dat betekent allereerst dat hij de problemen in kaart zal brengen die tot de fouten leiden. Gaat het mis bij de qubits, bij de interactie met de qubits, tijdens het corrigeren van de fout, bij alle drie? “Daarnaast werk ik aan een meer theoretisch deel: hoe spoor je die fouten op? Wat is het meest efficiënte algoritme hiervoor?”
Simuleren
Tot slot moet er een betrouwbare ‘digitale tweeling’ van de quantumcomputer komen om op te kunnen testen. Daarvoor moeten quantummechanische systemen worden gesimuleerd. Eveneens een grote uitdaging, vertelt Helsen, want “quantumcomputers zijn moeilijk te simuleren omdat ze iets doen wat gewone computers niet kunnen”. Daarom zullen er eveneens algoritmen worden ontwikkeld die het gedrag van qubits kunnen nabootsen.
“Analysemethoden voor FTQC’s zullen heel belangrijk worden”, vertelt Helsen. “De theoretische modellen voor quantum-foutcorrectie zijn al dertig jaar oud. Nu is de hardware pas goed genoeg om ze in de praktijk toe te passen.”
Over de ERC Starting Grant
De European Research Council (ERC) versterkt grensverleggend wetenschappelijk onderzoek binnen Europa. Dit doet de ERC door de allerbeste wetenschappers te ondersteunen met een persoonlijke beurs voor fundamenteel onderzoek. Een van die beurzen is de ERC Starting Grant. Deze is bedoeld voor wetenschappers die twee tot zeven jaar na hun PhD zitten. Zij krijgen maximaal anderhalf miljoen euro voor vijf jaar om hun eigen onderzoek of onderzoeksgroep op te zetten.
