Record in quantumcomputing: array met 6,100 qubits

Caltech bouwt grootste neutrale-atoom-quantumcomputingarray

Er is opnieuw een belangrijk record in quantumcomputing gesneuveld, en dit keer met een flinke sprong: fysici hebben een array gebouwd met 6,100 qubits. Daarmee is het systeem in zijn categorie veruit het grootste, ruim boven de ongeveer duizend qubits die eerdere opstellingen haalden.

De prestatie komt van onderzoekers van het California Institute of Technology (Caltech). Zij gebruikten cesiumatomen als qubits en hielden die op hun plek met een geavanceerd lasersysteem dat als lasertweezers fungeert, met als doel de atomen zo stabiel mogelijk vast te zetten.

Waarom qubits anders zijn: superpositie als basis

Qubits onderscheiden zich van de klassieke bits in traditionele computers doordat ze gebruikmaken van superpositie. In plaats van uitsluitend een binaire toestand van 1 óf 0, kunnen qubits een verdeling van waarschijnlijkheden aannemen. Dat maakt algoritmen mogelijk die problemen aanpakken die met gangbare, klassieke rekenmethoden als onbereikbaar gelden.

Veel qubits zijn nodig: foutcorrectie en robuustheid

Om quantumalgoritmen echt praktisch te maken, zijn echter grote aantallen qubits nodig. Een belangrijke reden om zulke omvangrijke arrays te bouwen is foutcorrectie: omdat qubits van nature kwetsbaar zijn, helpt een overschot aan qubits om de werking van de machine te controleren en fouten te compenseren.

"Dit is een spannend moment voor neutrale-atoom-quantumcomputing," zegt natuurkundige Manuel Endres. "We kunnen nu een route zien naar grote, met foutcorrectie uitgeruste quantumcomputers. De bouwstenen liggen klaar."

De sprong naar dit aantal qubits kwam niet door één enkele doorbraak, maar door een reeks technische verbeteringen op meerdere cruciale onderdelen-van de lasertweezers tot de ultrahoogvacuümkamer (oftewel: extreem lage druk).

Stabiliteit en programmeerbaarheid: bijna 13 seconden en 99.98 procent

Stabiliteit is al langer een knelpunt voor quantumcomputingsystemen. De vernieuwingen in deze nieuwste array zorgden ervoor dat qubits bijna 13 seconden in superpositie konden blijven-bijna tien keer zo lang als eerdere configuraties wisten te bereiken.

Daarnaast konden afzonderlijke qubits met 99.98 procent nauwkeurigheid worden gemanipuleerd, wat een belangrijke maatstaf zet voor de programmeerbaarheid van quantumtechnologie.

"Grote schaal, met meer atomen, wordt vaak gezien als iets dat ten koste gaat van nauwkeurigheid, maar onze resultaten laten zien dat beide samen kunnen," zegt natuurkundige Gyohei Nomura.

"Qubits zijn zonder kwaliteit niet bruikbaar. Nu hebben we kwantiteit én kwaliteit."

Naar praktische quantumcomputers: meer qubits, meer stabiliteit

Om quantumcomputers tot een werkbaar alternatief voor moderne supercomputers te maken, zijn nog meer qubits nodig en ook nog hogere stabiliteitsniveaus. Deskundigen benaderen dit vraagstuk vanuit verschillende richtingen; daardoor zijn records voor het ene type quantumcomputer niet automatisch van toepassing op een ander type.

Vervolgens moeten de onderzoekers inzetten op het benutten van verstrengeling, zodat het systeem de stap kan zetten van alleen informatie opslaan naar die informatie daadwerkelijk verwerken. Over niet al te lange tijd zouden zulke computers kunnen worden ingezet om nieuwe materialen, materie en fundamentele natuurwetten te ontdekken.

"Het is spannend dat we machines bouwen die ons helpen het Universum te begrijpen op manieren die alleen de kwantummechanica ons kan leren," zegt natuurkundige Hannah Manetsch.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature.