Een perfecte dominobaan valt of staat met stabiliteit: één wiebelige steen kan alles verpesten. Voor kwantumcomputers geldt iets vergelijkbaars, maar daar is bijna elke steen een beetje instabiel.
Die wiebeligheid, bekend als ‘ruis’, is een van de grootste obstakels voor werkende kwantumtechnologie. Nieuw theoretisch onderzoek laat nu zien dat ruis niet alleen fouten veroorzaakt, maar ook een harde grens stelt aan hoe krachtig kwantumcircuits in de praktijk kunnen worden.
Kwantumcomputers en qubits
Kwantumcircuits zijn de rekenstappen die gebruikt worden in kwantumcomputers: een type computers dat gebruikmaakt van de principes van kwantummechanica. Ze zouden hiermee complexe problemen veel sneller kunnen oplossen dan de krachtigste klassieke computers van nu.
Waar gewone computers werken met bits (0 of 1), gebruiken kwantumcomputers qubits. Een qubit is de kleinste eenheid van informatie in een kwantumcomputer. Net als een bit kan een qubit informatie opslaan, maar hij heeft extra eigenschappen dankzij de kwantummechanica.
Kwantummechanica: in alle staten
Een belangrijk kenmerk van qubits is superpositie. Dit betekent dat een qubit zich tegelijkertijd in meerdere toestanden kan bevinden (bijvoorbeeld een combinatie van 0 en 1), totdat je hem meet. Op dat moment wordt de qubit als het ware geforceerd om een toestand te kiezen. Daarnaast kunnen qubits met elkaar verstrengeld raken. Dit betekent dat de toestand van de ene qubit direct samenhangt met die van een andere, ongeacht de afstand.
In een kwantumcomputer worden qubits stap voor stap bewerkt met kleine operaties in een kwantumcircuit. Samen vormen die stappen een algoritme dat een probleem oplost. Qubits zijn echter uiterst gevoelig: de kleinste omgevingsruis kan fouten veroorzaken die zich tijdens de berekening snel opstapelen.
Leestip: Wiskundigen gebruiken vergeten deeltjes om kwantumcomputer nieuw leven in te blazen
Theoretische analyse
Een nieuw onderzoek, gepubliceerd in Nature Physics, laat zien hoe ruis de werking van kwantumcircuits beperkt. De wetenschappers analyseerden grote groepen kwantumcircuits die bestaan uit eenvoudige stappen met twee qubits, waarbij elk individueel qubit na iedere stap wordt verstoord door ruis. Met wiskundige berekeningen volgden ze hoe de invloed van elke stap door het circuit verspreidt en vervaagt door ruis.
Alleen de laatste dominostenen tellen
Wat bleek? In de meest ruisachtige circuits zijn alleen de laatste stappen echt belangrijk. Hoe groot een circuit ook is, de opbouwende ruis maakt de eerdere stappen bijna betekenisloos. Daardoor bepalen uiteindelijk alleen de laatste handelingen de uitkomst.
Dat verklaart ook waarom zulke circuits nog steeds aangepast of getraind kunnen worden voor eenvoudige taken. Je kunt de uitkomst van het circuit beïnvloeden door de instellingen te veranderen, maar alleen via die laatste stappen die nog effect hebben. Alles wat daarvoor gebeurt, doet nauwelijks nog mee. In de praktijk gedraagt een groot en complex circuit zich daardoor als een veel kleiner en ondieper systeem.
De toekomst van kwantumtechnologie
De studie laat zien wat we op korte termijn echt kunnen verwachten van kwantumtechnologie. Simpelweg meer stappen toevoegen aan ruisachtige circuits zal waarschijnlijk geen extra kracht opleveren. Vooruitgang zit eerder in het beter onder controle krijgen van ruis of in slimme ontwerpen die er juist gebruik van maken.
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
