Onderzoekers van QuTech in Delft hebben aangetoond dat de quantumtoestand van quantumbits langer bewaard kan blijven door herhaaldelijk observeren. Dit is van belang voor het vinden van fouten bij quantumberekeningen en daarmee voor het realiseren van een quantumcomputer.
De wetenschappers maakten voor hun onderzoek gebruik van het zogenoemde quantum-Zeno-effect, dat op zijn beurt verband houdt met Zeno's 'vliegende pijl'-paradox: continu opeenvolgende observaties registreren een bewegende pijl telkens in rust, waardoor deze feitelijk niet in beweging kan zijn. Bij het quantum-Zeno-effect speelt dat effect bij metingen. Herhaalde metingen van een quantumtoestand bevriezen het quantumsysteem als het ware in die toestand. De meting van een qubit in een superpositie van '0' of '1', leidt telkens tot een projectie van '0' of '1'.
De Delftenaren zetten dit in door niet slechts een enkele qubit, maar gedeelde eigenschappen tussen verscheidene qubits constant te observeren. De gedeelde eigenschappen zijn in te delen in subsystemen. Projecties van die subsystemen leiden tot bescherming van de quantumtoestanden en het onderdrukken van oncontroleerbare veranderingen, terwijl binnen zo'n systeem wel ruimte is voor quantumberekeningen.
QuTech maakt de vergelijking met het groeperen van driedimensionale objecten aan de hand van hun tweedimensionale schaduw. Transformeren binnen een groep van bijvoorbeeld kubus naar cilinder heeft geen invloed op de schaduw, maar de ongewenste veranderingen naar een bol kunnen worden onderdrukt.
De onderzoekers van QuTech maakten de quantum-Zeno-subsystemen op basis van drie kernspins in diamant en toonden hiermee aan dat de quantumtoestand langer kan worden bewaard bij een toenemend aantal projecties van gedeelde eigenschappen. De relatie geldt ook bij gebruikmaking van meer spins.
Het werk van het QuTech-team is onder andere van belang voor de verdere ontwikkeling van foutcorrectieprotocollen voor quantumberekeningen. Het detecteren en corrigeren van fouten is een grote uitdaging bij quantumberekeningen en de noodzaak neemt toe naarmate de quantumcomputer uit meer qubits bestaat. De eerste stapjes voor foutcorrectie nam QuTech in maart, toen het voor het eerst lukte om bij een meting fouten op te sporen en te verbeteren.
De nieuwe publicatie bouwt daarop voort, vertelt Julia Cramer, promovendus bij QuTech, die het voorgaande onderzoek publiceerde. "We maakten toen gebruik van hetzelfde systeem, maar vergeleken twee kernspins. Nieuw is nu dat we aantonen dat hoe vaker je meet, hoe meer je de toestand kunt bevriezen in de ruimte. Het werken met subsystemen maakt dat bepaalde evolutie nog wel mogelijk is en andere niet. Dat zorgt ervoor dat je metingen je iets kunnen leren over alleen de fouten, zonder dat de superpositie wordt aangetast." Volgens Cramer is verder bijzonder dat de onderzoekers een verstrengelde toestand tussen twee qubits konden laten zien in drie spins.
Het team van QuTech-wetenschappers, onder leiding van Tim Taminiau, publiceert vrijdag over zijn projectiemethode in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications onder de noemer Experimental creation of quantum Zeno subspace by repeated multi-spin projections in diamond.
Wetenschap