IBM-onderzoekers hebben, in samenwerking met RWTH Aachen University en Quantum Elements, het vorige record gebroken voor aanhoudende high-fidelity quantumberekeningen op supergeleidende qubits. De doorbraak, gepubliceerd in Nature Communications op 27 februari, pakt een kernuitdaging in quantum computing aan: het lang genoeg handhaven van stabiele berekeningen om complexe algoritmen uit te voeren.
Het probleem van kwantuminstabiliteit
Kwantumcomputers vertrouwen op qubits, het kwantumequivalent van bits, om informatie te verwerken. In tegenstelling tot klassieke bits zijn qubits inherent kwetsbaar en gevoelig voor geluid van zelfs minieme trillingen of omgevingsstoringen. Deze kwetsbaarheid dwingt wetenschappers om meerdere fysieke qubits samen te groeperen in ‘logische qubits’ als een vorm van redundantie, maar zelfs deze aanpak is kwetsbaar voor ‘logische fouten’ – waarbij meerdere fysieke qubits tegelijkertijd falen, waardoor de berekening wordt verstoord.
Het probleem is vooral acuut bij IBM’s 127-qubit ‘Kiev’- en ‘Marrakesh’-processors, die last hebben van een specifiek type ruis dat ‘ZZ-overspraak’ wordt genoemd. Traditionele foutcorrectiemethoden hebben moeite om effectief te schalen zonder extra fouten te introduceren.
De oplossing: Normalizer dynamische ontkoppeling (NDD)
Het onderzoeksteam ontwikkelde een nieuw hybride foutonderdrukkingsprotocol genaamd Normalizer Dynamical Decoupling (NDD). In plaats van alleen op hardwareniveau ruisonderdrukkingspulsen toe te passen, past NDD de timing van deze pulsen aan om te synchroniseren met de kwantumcode die wordt uitgevoerd. Dit vereist een wiskundige ‘normalisator’ die de pulsen dynamisch afstemt, waardoor ze ruis efficiënter kunnen tegengaan.
De resultaten zijn aanzienlijk:
* De maximale coderingsgetrouwheid bereikte 98,05% — hoger dan ooit tevoren.
* Deze betrouwbaarheid bleef gehandhaafd op 84,87% gedurende 55 microseconden, meer dan het dubbele van het vorige record van 27 microseconden.
Waarom dit belangrijk is
Hoe langer een kwantumcomputer de hoge betrouwbaarheid kan behouden, hoe complexer de berekeningen kunnen worden uitgevoerd. Een aanhoudende 55 microseconden maakt grofweg 4.500 tot 5.500 opeenvolgende kwantumbewerkingen mogelijk voordat de gegevens verslechteren. Hoewel dit incrementeel lijkt, is het een aanzienlijke verbetering.
Het uiteindelijke doel van quantum computing is het aanpakken van problemen die onmogelijk zijn voor klassieke computers, zoals het breken van moderne encryptie. Taken zoals het uitvoeren van het algoritme van Shor kunnen weken of maanden duren op een capabel quantumsysteem, vergeleken met biljoenen jaren op een klassieke machine.
Deze mijlpaal brengt die toekomst dichterbij en toont aan dat duurzame, hifi-kwantumberekeningen haalbaar zijn. Het succes van het team onderstreept het belang van hybride foutonderdrukkingstechnieken en dynamische optimalisatie bij het bevorderen van de kwantumtechnologie.
