Een quantumcomputer gebruikt bits die niet alleen 0 of 1, maar ook 0 en 1 tegelijk kunnen zijn. Helaas is deze quantuminformatie zo fragiel, dat deze al snel verloren gaat. Een team wetenschappers onder leiding van Tim Taminiau van QuTech in Delft heeft nu als eerste laten zien hoe fouten in een quantumberekening kunnen worden opgespoord en actief kunnen worden hersteld, zonder dat de quantuminformatie verloren gaat. Door herhaaldelijk quantumfoutcorrectie toe te passen met elektronen- en kernspins in diamant, wisten ze de gevoelige quantuminformatie langer te bewaren dan zonder deze foutcorrectie. Het oplossen van fouten in quantumberekeningen is cruciaal voor de ontwikkeling van een werkende quantumcomputer. De wetenschappers publiceren er over op donderdag 5 mei in Nature Communications.

Quantumsuperpositie

Bij instituut QuTech aan de TU Delft wordt gewerkt aan de computer van de toekomst: de quantumcomputer. Deze computer gebruikt de tegen-intuitieve wetten van de quantummechanica om belangrijke problemen op te lossen die ver buiten de mogelijkheden van de beste klassieke computers liggen. Dit komt omdat de bouwstenen van de quantumcomputer, quantumbits, niet alleen `0' of `1' kunnen zijn maar ook `0' en `1' tegelijkertijd. Dit noemen we een quantumsuperpositie.

Kracht en zwakke plek

Superposities zijn de kracht van de quantumcomputer. Hierdoor kunnen berekeningen als het ware parallel worden uitgevoerd zodat bepaalde problemen heel efficient opgelost kunnen worden. Tegelijkertijd zijn superposities ook de zwakke plek van de quantumcomputer: een superpositie is heel fragiel. Wanneer je naar een superpositie kijkt wordt deze al verstoord. Hierdoor is het lastig te ontdekken of er fouten zijn ontstaan in de superpositie tijdens berekeningen.

Fouten corrigeren

Om bruikbare quantumberekeningen te kunnen doen, is het essentieel om fouten te kunnen corrigeren. Quantumfoutcorrectie vormt daarom de basis van quantumcomputers en is de grote nog open uitdaging. In quantumfoutcorrectie wordt quantuminformatie beschermd door deze eerst te coderen. Daarna worden fouten gedetecteerd via heel voorzichtige metingen die de kwetsbare quantuminformatie niet verstoren. Uiteindelijk worden de fouten verwerkt in snelle klassieke elektronica en actief gecorrigeerd. En dit alles moet gebeuren terwijl het quantumsysteem gecodeerd en continu beschermd blijft.

Diamant

De wetenschappers van QuTech hebben voor het eerst dit hele proces laten zien door gebruik te maken van elektronen- en kernspins in diamant. Deze spins kunnen niet alleen quantuminformatie verwerken met een hoge kwaliteit maar deze ook nog eens zo lang opslaan dat de fouten direct verwerkt en gecorrigeerd kunnen worden via snelle elektronica. De actieve foutcorrectie die in Delft is gerealiseerd, is een flinke stap naar nog complexere foutcorrectiesystemen die uiteindelijk een bruikbare quantumcomputer mogelijk moeten gaan maken.

Artikel: Julia Cramer, Norbert Kalb, M. Adriaan Rol, Bas Hensen, Machiel S. Blok, Matthew Markham, Daniel J. Twitchen, Ronald Hanson, Tim H. Taminiau. Repeated quantum error correction on a continuously encoded qubit by real-time feedback.

DOI: 10.1038/10.1038/NCOMMS11526