Van kwakkelende qubits tot quantumcomputer

‘Quantumdisneyland’ is de term waarmee Julia Cramer de tafel voor me in één woord beschrijft. En inderdaad, de honderden onderdelen die in deze voor de rest vrij donkere kelder in verschillende kleurtjes oplichten hebben wel iets weg van een pretparkattractie. Rood, groen en geel; de nauwkeurig opgestelde lensjes en prisma’s fonkelen intens. Tussen de optische onderdelen zie ik als ik goed kijk laserstralen.

Cramer is promovendus van de TU Delft en leidt me rond binnen het QuTech-instituut. Het werd in 2013 door de universiteit en TNO in het leven geroepen om het toch al florerende Delftse quantumonderzoek te bundelen en een extra zetje in de rug te geven. In de kelder van de faculteit Technische Natuurwetenschappen sta ik nu oog in oog met het hart van een complexe ‘quantummachine’.

Lasershow

In Delft wordt hopelijk de basis gelegd voor de quantumcomputer, maar met deze opstelling wordt nog niet gerekend. De bonte lasershow stuurt een zogenoemde qubit (quantumbit) aan die zich ergens in de opstelling bevindt. In dit geval een setje elementaire deeltjes – een elektron en een aantal koolstofkernen – gevangen in een diamant enkele graden boven het absolute nulpunt. Het wispelturige en niet-intuïtieve quantumgedrag van deze deeltjes kan in theorie het hart vormen van een supersnelle computer.

De allereerste rekenstapjes werden al eind jaren negentig met enkele qubits gedaan door zeer experimentele quantumcomputers. Wat betreft rekenkracht was dat kinderspel. Inmiddels proberen wetenschappers de prestaties van de experimentele quantumcomputers op te krikken. Daarvoor zijn grote aantallen qubits nodig die ondanks hun grillige quantumtrekjes naadloos samenwerken. In Delft wordt daar werk van gemaakt.

De draairichting van een deeltje dat wordt gebruikt als qubit (dat gekoppeld is aan de informatie die erin is opgeslagen) kan bijvoorbeeld worden verstoord door een interactie met zijn omgeving. Het is echter mogelijk om opgeslagen quantuminformatie te controleren en zo nodig te ‘corrigeren’.

Trucje

Dat principe van quantumfoutcorrectie was al lange tijd bekend, maar het bleek vooralsnog lastig om toe te passen. Cramer en collega’s waren recent de eersten die een systeem ontwikkelden om een qubit voor langere tijd te controleren en te beschermen tegen verstoringen van buitenaf. Ze publiceerden er vorige maand een wetenschappelijk artikel over in het wetenschappelijk tijdschrift Nature Communications.

Dat was een knap staaltje onderzoek, want het is verdomd lastig om verstoringen in een qubit te corrigeren én de erin opgeslagen informatie te behouden. De quantumwetten staan namelijk niet toe informatie te bekijken zonder de staat van het deeltje te veranderen. “Het direct bekijken of kopiëren van quantuminformatie uit een qubit maakt hem eigenlijk meteen stuk. Je moet daarom een trucje toepassen”, zegt Cramer.

Ze legt het trucje uit, waarbij de quantuminformatie die normaal gesproken in een enkele qubit wordt gestopt over verschillende qubits wordt verdeeld. Zoals eerder gezegd is het niet mogelijk om die informatie direct te bekijken zonder de fragiele quantumtoestand te vernietigen. “Maar we kunnen qubits wél met elkaar vergelijken”, zegt Cramer. “Zien we dat een van die qubits spontaan is omgeklapt en dus afwijkt van de andere twee, dan weten we dat daar een fout zit die te corrigeren is met microgolven.”

Het vergelijken van de drie qubits gebeurt met een elektron dat in het midden tussen de drie koolfstofkernen in het diamant is gevangen. “Door dat elektron te manipuleren met licht (het is in staat lichtdeeltjes op te nemen en weer uit te zenden – red.) kunnen we de qubits eromheen controleren”, zegt Cramer. “Zonder dat we de quantuminformatie in de qubits hoeven te bekijken en daarmee kapotmaken.”

Steeds meer qubits

Foutloos rekenen is een voorwaarde voor de toekomstige quantumcomputer, maar ook moet hij over een behoorlijke rekenkracht beschikken. De enkele qubits in de huidige experimenten laten mooi zien dat een quantumprocessor echt werkt, maar de problemen die ze aanpakken zijn doorgaans zelfs met potlood en papier op te lossen. Willen we naar meer computerkracht dan zijn er meer qubits nodig: tientallen en uiteindelijk misschien wel honderden. Het is een enorme uitdaging om zoveel wispelturige deeltjes met elkaar te laten ‘praten’ en in het gareel te houden, zonder dat hun delicate quantuminformatie verdwijnt.

Een van de onderzoekers die werkt aan het steeds groter maken van een systeem met qubits is Niels Bultink, promovendus binnen QuTech. Zijn groep Superconducting Quantum Circuits maakt chips die wel een beetje lijken op een klassieke computerchip, met keurig ontworpen geleidende banen die verschillende onderdelen op de chip aan elkaar verbinden. Ook het proces waarmee ze gemaakt worden is gelijk: lithografie. De verbindingen zijn echter niet van silicium gemaakt, maar van het supergeleidende niobiumtitaannitride. En ook zijn ze – in tegenstelling tot moderne computerchips – met het blote oog te zien. De hele chip meet vijftien bij drie millimeter. Bultink laat me in het lab een exemplaar zien met vijf gekoppelde qubits.

Kronkelende slangetjes

De baantjes hebben wel iets van een kronkelende slang – niet iets wat je ziet op een normale chip. Bovendien verbinden ze kleine onderdelen op de chip met daarin nog kleinere ‘slangetjes’. Waarom al dat gekronkel? Bultink legt uit dat dit zogenoemde resonatoren zijn, waarin elektrische stromen met een specifieke frequentie trillen. “Het mooie van zo’n resonator is dat de frequentie ervan wordt beïnvloed door een qubit, zónder dat de informatie in de qubit kapot gaat”, zegt hij. In feite is dit dus weer zo’n trucje om de gevoelige quantuminformatie zoveel mogelijk met rust te laten.

De qubits zelf zijn overigens ook resonatoren, waarin stromen zich gedragen als een ‘quantumdeeltje’. “De besturing van de qubits verloopt door licht met een bepaalde golflengte op de qubits te schijnen. Ook zijn er grotere resonatoren aanwezig waarlangs de qubits met elkaar kunnen communiceren als dit nodig is”, zegt Bultink.

Zoals gezegd, meer qubits is in principe beter. Bultink legt uit dat er de komende jaren binnen QuTech hard wordt gewerkt om het aantal qubits te verhogen. “We hebben net een beurs gekregen om een systeem te ontwikkelen met in totaal zeventien qubits”, zegt hij. “Dat is een grote uitdaging qua ontwerp. Naarmate er meer qubits en dus resonatoren op een chips komen, wordt het steeds lastiger om ervoor te zorgen dat ze elkaar niet (ongewild) beïnvloeden. Bovendien kom je al snel in de knel met het aantal verbindingen dat je op de chip moet maken.”