Bouwsteen foutcorrectie voor kwantumcomputer gevonden

Het is een team van wetenschappers van de TU Delft onder leiding van Tim Taminiau gelukt om fouten op te sporen in kwantumberekeningen en deze fouten actief te herstellen zonder dat de kwantuminformatie daarbij verloren gaat.

Ze wisten dit te bereiken door herhaaldelijk kwantumfoutcorrectie toe te passen met elektronen- en kernspins in diamant. Daarbij bleef de informatie langer bewaard dan het geval was geweest zonder de foutcorrectie.

Het belang van de vinding is groot omdat de combinatie van fouten detecteren en direct corrigeren een grote uitdaging is. Wanneer de kwantuminformatie gebruikt wordt om informatie op te slaan, kunnen de gedetecteerde fouten gecorrigeerd worden in de klassieke informatie na afloop. Maar wanneer je daadwerkelijk kwantumberekeningen wil doen met de kwantuminformatie is de actieve correctie cruciaal. Zonder foutcorrectie gaat alle informatie dan verloren.

Julia Cramer, eerste auteur van het onderzoek, legt Tweakers uit waarom het zo belangrijk is om foutcorrectie tijdens een kwantumberekening te doen en hoe het werkt. "Het probleem met de kwantumcomputer is dat kwantumberekeningen nooit helemaal perfect zijn. Ook kunnen we de interacties met de omgeving niet helemaal controleren en als je een kwantumtoestand bekijkt, verstoor je de toestand of superpositie", zegt Cramer. Dat laatste is de onderzoekers nu gelukt: een meting te doen die eerst leert over de fout zelf zonder de toestand te verpesten.

"We hebben de kwantuminformatie eerst ondergebracht in meerdere qubits, dat noemen we encoderen. Op die manier kunnen we door de qubits te vergelijken - staan ze nog dezelfde kant op of niet? - iets leren over de fout. Als eentje anders is dan de rest, kunnen we die corrigeren. Het is ons gelukt om de qubits waarin we de toestand hebben beschermd, kernspins in diamant, zo lang te bewaren, dat we die fouten ook direct konden corrigeren. Dat deden we met klassieke elektronica."

Tim Taminiau en Julia Cramer in QuTech-lab

"Ons experiment is eigenlijk uitgevoerd in een hybride kwantumcomputer. Ons kwantumprocessortje is gebaseerd op een elektronspin die werkt met een defect in diamant, het zogenaamde NV-center, waar normaal koolstofatomen zitten. Dat levert een elektron op en dit hebben we al veel langer onder de knie als qubit. Dat elektron is gekoppeld met nucleaire spins in zijn omgeving en via dat elektron kunnen we meten of twee van die nucleaire spins nog hetzelfde zijn. Dat is de kracht van het experiment: het kunnen uitlezen van de nucleaire spins zonder dat ze er last van hebben. Op die manier krijgen we alleen informatie over de fout en hebben we genoeg tijd om die fout actief te corrigeren."

De opstelling om de proeven mee te doen, zit zo in elkaar dat de spins en het elektron afzonderlijk te controleren zijn. "Ons diamantje zit in een grote thermosfles met vloeibaar helium van vlak boven het absolute nulpunt, vier graden om precies te zijn. Op die temperatuur hebben we het NV-centrum zo goed onder controle dat we in 95 procent van de gevallen het elektron goed kunnen uitlezen", zegt Cramer. "Via microgolven kunnen we de spin controleren van het elektron in het diamantje. Door het elektron slim op en neer te flippen konden we de nucleaire spins afzonderlijk controleren."

"Dit laatste is essentieel voor de kwantumcomputer omdat de fouten anders opbouwen", zegt Cramer. "Je hebt altijd fouten in kwantumberekeningen. Om de kwantumcomputer schaalbaar te maken, moet je de fouten corrigeren in het systeem."

Fouten realtime corrigeren, dat is waar een groot deel van het onderzoeksveld zich nu mee bezighoudt. Cramer: "Het is ons als eerste gelukt om de kwantumsuperpositie te beschermen tegen fouten met realtime feedback en actieve correctie."

Uitleg door Julia Cramer en Bruno van Wayenburg

Het artikel verschijnt donderdag in Nature Communications.