Onderzoekers van ETH Zürich hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het uitvoeren van kwantumoperaties die de foutpercentages in kwantumcomputers met neutrale atomen aanzienlijk vermindert. Door gebruik te maken van een fysiek fenomeen dat bekend staat als de geometrische fase, creëert deze nieuwe aanpak swap-gates die veel stabieler zijn dan traditionele methoden, waardoor de technologie dichter bij praktisch, grootschalig nut komt.
De bevindingen, gepubliceerd op 8 april in het tijdschrift Nature, pakken een van de meest hardnekkige knelpunten in quantum computing aan: de extreme gevoeligheid van qubits voor fouten veroorzaakt door omgevingsgeluid en hardware-imperfecties.
Het probleem: kwetsbaarheid bij lawaai
Kwantumcomputers ontlenen hun kracht aan qubits, die kunnen bestaan in een superpositie van toestanden (zowel 0 als 1 tegelijkertijd). Om berekeningen uit te voeren, gebruiken deze systemen logische poorten om qubits te manipuleren. Een cruciaal onderdeel is de swap gate, die de toestanden van twee qubits uitwisselt, waardoor informatie door de processor kan worden gerouteerd.
De huidige methoden voor het creëren van swap-poorten in neutrale-atoomsystemen zijn echter zeer gevoelig. Deze systemen maken doorgaans gebruik van lasers om neutrale atomen (zoals kalium) op hun plaats te hangen, waardoor een optisch rooster ontstaat. Traditionele swap-poorten zijn afhankelijk van:
* Zeer opgewonden elektronische toestanden.
* Atoombotsingen.
* Het kwantumtunneleffect.
Deze technieken zijn sterk afhankelijk van de precieze timing en intensiteit van de lasers. Zelfs microscopische fluctuaties in de lasersterkte of timing kunnen fouten veroorzaken, waardoor de poort defect raakt. Deze gevoeligheid draagt bij aan het hoge foutenpercentage van de huidige kwantumbits – ruwweg 1 op 1.000 – vergeleken met het 1 op 1 biljoen foutenpercentage van conventionele siliciumbits. Deze discrepantie verhindert dat kwantumcomputers kunnen opschalen om beter te presteren dan klassieke supercomputers.
De oplossing: geometrie boven timing
Het ETH Zürich-team, geleid door postdoctoraal onderzoeker Yann Hendrick Kiefer, omzeilde deze kwetsbaarheden door gebruik te maken van de geometrische fase.
In tegenstelling tot conventionele ‘dynamische’ poorten, die afhankelijk zijn van exacte controle over energieniveaus, timing en laserintensiteit, vertrouwen geometrische poorten op het pad dat het kwantumsysteem door zijn toestandsruimte aflegt.
“Manipulatie van deze golffunctie introduceert doorgaans een fase in de golffunctie, die een dynamische of geometrische oorsprong kan hebben”, legt Kiefer uit. “De geometrische benadering werkt anders: in plaats van afhankelijk te zijn van exacte timing of kracht, hangt deze vooral af van het totale pad dat het systeem van begin tot eind aflegt.”
In deze opstelling worden tienduizenden kaliumatomen afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt en op hun plaats gehouden door kruisende laserstralen. Wanneer twee atomen zo dichtbij worden gebracht dat hun kwantumgolven elkaar kunnen overlappen, verandert hun gecombineerde toestand uitsluitend op basis van de geometrie van hun beweging. Omdat deze verandering onafhankelijk is van hoe snel de atomen bewegen of hoe intens de lasers zijn, is de werking van nature robuust tegen experimentele ruis.
Recordbrekende precisie en schaal
De praktische implicaties van deze methode zijn aanzienlijk. Het onderzoeksteam demonstreerde een swap-poort met de volgende prestatiestatistieken:
* Precisie: Beter dan 99,91%.
* Snelheid: Werkt in minder dan één milliseconde.
* Schaal: Gelijktijdig met succes toegepast op 17.000 qubit-paren.
Hoewel supergeleidende of gevangen-ionsystemen hogere poortsnelheden (sub-microseconden) kunnen bereiken, werken ze doorgaans slechts op een handvol qubit-paren tegelijk. De ETH Zurich-methode biedt een unieke combinatie van hoge betrouwbaarheid en enorm parallellisme, wat essentieel is voor het bouwen van grootschalige kwantumprocessors.
Implicaties voor de toekomst van kwantumcomputing
De studie bevestigde ook de creatie van “half-swap”-poorten, die essentieel zijn voor het uitvoeren van complexe kwantumalgoritmen. In tegenstelling tot een volledige swap, waarbij alleen informatie wordt verplaatst, wisselt een halve swap gedeeltelijk toestanden uit, terwijl er verstrengeling ontstaat: de unieke correlatie tussen qubits die kwantumcomputers hun exponentiële verwerkingskracht geeft.
Deze vooruitgang daagt eerdere aannames uit over de middelen die nodig zijn voor praktische kwantumcomputers. Historisch gezien werd aangenomen dat er miljoenen qubits nodig zouden zijn om algoritmen zoals het Shor-algoritme uit te voeren, dat grote aantallen kan factoriseren en moderne encryptie kan doorbreken. Recente onderzoeken suggereren echter dat dergelijke problemen met poorten met een hogere betrouwbaarheid, zoals die ontwikkeld door ETH Zürich, mogelijk kunnen worden opgelost met slechts 10.000 qubits.
Conclusie
Hoewel een praktische, fouttolerante kwantumcomputer nog steeds werk in uitvoering is, markeert deze geometrische benadering een cruciale stap voorwaarts. Door kwantumoperaties te ontkoppelen van de ruis van laserbesturing hebben onderzoekers een pad gecreëerd naar stabielere en schaalbare systemen, waardoor de droom van krachtige kwantumcomputers langzaam werkelijkheid wordt.
