Quantumcomputer leert chaos beheersen

Onderzoekers van Rutgers University hebben in samenwerking met IBM aangetoond dat een quantumcomputer tijdens berekeningen duizenden keren onderdelen van zichzelf kan controleren en resetten. Daarmee slaagden ze erin zogenoemd chaotisch gedrag om te zetten in een gecontroleerde toestand. Het experiment, werd uitgevoerd op een IBM-processor met 156 qubits.

Waar klassieke bits uitsluitend de waarde 0 of 1 aannemen, kunnen qubits zich in een superpositie van beide toestanden bevinden. Die eigenschap maakt quantumberekeningen mogelijk, maar zorgt er ook voor dat externe invloeden gemakkelijk fouten veroorzaken. Wanneer deze fouten zich opstapelen, worden berekeningen onbetrouwbaar.

Bijna 10.000 bewerkingen

Voor hun experiment gebruikten de onderzoekers een IBM Quantum Heron-processor met 156 qubits. Het systeem kreeg twee afwisselende opdrachten: quantumgegevens verspreiden over naburige qubits, waardoor steeds meer chaos ontstond, en afzonderlijke qubits meten en indien nodig resetten om de toestand te stabiliseren. In totaal voerden de onderzoekers bijna 5.000 bewerkingen tussen qubitparen uit, naast ongeveer 5.000 metingen en resets. Volgens het onderzoeksteam is dit de grootste succesvolle demonstratie tot nu toe van deze vorm van realtime quantumfeedback.

Door de verhouding tussen beide processen te veranderen, ontdekten de wetenschappers een duidelijke omslag. Wanneer de chaotische bewerkingen meer dan de helft van de tijd plaatsvonden, bleef het systeem ongeordend. Zodra metingen en resets de overhand kregen, konden de onderzoekers het systeem naar een vooraf bepaalde toestand sturen. Rond het omslagpunt van vijftig procent trad een zogeheten faseovergang op; een kleine verandering in de verhouding tussen beide processen leidde tot een verandering in het gedrag van het volledige systeem. Volgens de onderzoekers bevestigt dit een theoretische voorspelling over de manier waarop orde kan ontstaan in chaotische quantumsystemen.

Fouttolerantie

Het onderzoek richt zich op de ontwikkeling van fouttolerante quantumcomputers. Zulke systemen moeten tijdens langdurige berekeningen fouten kunnen opsporen en corrigeren, zonder de opgeslagen quantuminformatie te vernietigen. Quantuminformatie kan niet zomaar worden gekopieerd en een meting kan de toestand van een qubit veranderen. Toekomstige quantumcomputers moeten daarom voortdurend controles en correcties uitvoeren, terwijl de berekening doorgaat.

Grotere systemen

De onderzoekers konden hun experiment uitvoeren met maximaal honderd qubits. De resultaten kwamen nauw overeen met hun theoretische voorspellingen; de overgang tussen chaos en controle werd duidelijker zichtbaar naarmate het aantal qubits toenam. Volgens het onderzoeksteam wijst dit erop dat het verschijnsel geen toevallige eigenschap van een kleine quantumschakeling is, maar collectief gedrag van het volledige systeem. De volgende uitdaging is om dergelijke controlesystemen daadwerkelijk te gebruiken voor het beschermen van quantuminformatie tijdens langdurige berekeningen.