Ruis in kwantumcircuits beperkt de rekendiepte en maakt ze deels simuleerbaar op klassieke computers

Ruis in kwantumcircuits beperkt de rekendiepte en maakt ze deels simuleerbaar op klassieke computers

Onderzoekers van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), de Freie Universität Berlin en de Universiteit van Kopenhagen hebben onderzocht welke invloed ruis heeft op kwantumcircuits.

Kwantumcircuits bestaan uit lange reeksen bewerkingen die gezamenlijk informatie verwerken. In de praktijk treedt echter ruis op, en die kan de werking van zulke systemen verstoren. De onderzoekers laten zien dat ruis harde grenzen stelt aan de diepte van een kwantumcircuit: het aantal stappen dat je achter elkaar zinvol kunt uitvoeren. Daarnaast maakt ruis het mogelijk om bepaalde onderdelen van kwantumcircuits met klassieke computers eenvoudiger te simuleren.

In hun studie analyseerde het team grote verzamelingen kwantumcircuits die zijn opgebouwd uit eenvoudige bewerkingen op twee qubits. Daarbij gebruikten ze een realistisch model waarin elke qubit na elke stap met ruis te maken krijgt. Uit de wiskundige analyse volgt dat bij de meeste ruisige kwantumcircuits vooral de laatste paar stappen merkbaar bijdragen aan het eindresultaat. Met andere woorden: ook als een circuit een aanzienlijke diepte heeft, dooft de invloed van vroege bewerkingen geleidelijk uit.

Deze bevinding is praktisch relevant. Bij het berekenen van eigenschappen van een qubit wordt de uitkomst vooral bepaald door de laatste lagen bewerkingen, terwijl eerdere stappen door de opstapelende ruis hun betekenis verliezen. Dat helpt ook te verklaren waarom ruisige kwantumcircuits toch kunnen worden afgesteld op specifieke taken: aanpassingen in de instellingen werken door in het resultaat omdat de laatste lagen nog ‘actief’ zijn.

Het onderzoek onderstreept dat het vergroten van de diepte van kwantumcircuits niet automatisch leidt tot betere prestaties. Voor verdere vooruitgang in kwantumtechnologie is het daarom nodig om óf het ruisniveau omlaag te brengen, óf circuits te ontwikkelen die juist efficiënt blijven functioneren onder ruis. Tegelijk wijst het werk op een mogelijke misvatting: ruisige circuits kunnen aanpasbaar lijken, maar dat komt doordat ruis hun effectieve complexiteit al heeft teruggebracht.

---