Innovatief control-systeem maakt de weg vrij voor grootschalige quantumcomputers

Toekomstige quantum computers vertonen met een toenemend aantal qubits een exponentiële toename in computerkracht. Omdat het aansturen van grote aantallen qubits zeer complex is, is het benutten van deze kracht een grote uitdaging. Een oplossing voor dit probleem is bedacht door Richard Versluis, principal scientist bij TNO, Leo DiCarlo, associate professor aan de TU Delft en postdoc Stefano Poletto, met hulp van collega’s van TNO, de TU Delft en Intel. 

Ze hebben een control-methode uitgevonden voor fault-tolerant quantum computing, quantumberekeningen met foutencorrectie, gebaseerd op een basis bouwblok van acht qubits en een vaste set control hardware. Het basis bouwblok kan worden uitgebreid naar een willekeurig aantal qubits, zonder dat de control hardware hoeft te worden aangepast of uitgebreid.

Met deze nieuwe methode wordt het mogelijk om foutencorrectie en logische operaties uit te voeren. Dit maakt de weg vrij maakt voor het uitvoeren van complexe algoritmes op een quantumcomputer. De onderzoekers hebben hun werk gepubliceerd in Physical Review Applied

Slimme hardware noodzakelijk voor grootschalige quantum computers

Een grote uitdaging voor quantumcomputers, die nu nog bestaan uit een handvol qubits, is de schaalbaarheid. Om succesvol quantumalgoritmes uit te kunnen voeren zijn miljoenen qubits nodig om de inherente instabiliteit van de qubits en fouten in het systeem te corrigeren. Tot nu toe werden de control-systemen steeds groter en complexer naarmate het aantal qubits toenam. Dit is nog geen probleem voor experimentele quantum chips met een paar qubits, maar er waren nog geen concepten beschikbaar om duizenden of miljoenen qubits aan te sturen en foutencorrectie op de qubits mogelijk te maken.

Willekeurig aantal qubits bestuurd door één set hardware

De onderzoekers van QuTech, een samenwerking opgericht door de TU Delft en TNO, vonden een oplossing voor dit schaalbaarheidsprobleem voor supergeleidende qubits. Hun oplossing gebruikt een control-systeem ter grootte van een kleine boekenkast, om een basis bouwblok van acht qubits aan te sturen. Door de acht qubits op de chip te dupliceren kan hetzelfde control-systeem een willekeurig aantal qubits, van 8 tot 8 miljoen of meer, individueel aansturen, en tegelijkertijd de operaties uit voeren die noodzakelijk zijn voor foutencorrectie. Dit biedt computer programmeurs de mogelijkheid om quantumalgoritmes uit te voeren op een willekeurig aantal qubits. Het volgende doel bij QuTech is om deze methode inclusief foutencorrectie toe te passen op een quantumprocessor met 17 qubits. Dit zou het grootste aantal qubits ooit zijn waarop zowel individuele aansturing als foutencorrectie wordt toegepast.

Genoeg ruimte bij de bron

De bekende uitspraak van Nobelprijswinnaar Richard Feynman dat ‘er genoeg ruimte bij de bron’ is, geeft aan dat er een hele wereld verkend kan worden op de quantum-schaal: de wereld van atomen en elektronen. Hij was één van de eersten die inzag dat de complexiteit om quantum-mechanische systemen te modelleren omgezet kan worden in een bron van mogelijkheden. Omdat er zoveel parameters nodig zijn om gekoppelde quantummechanische deeltjes te modelleren, kun je dat soort gekoppelde deeltjes ook beschouwen als systemen die in staat zijn om grote hoeveelheden informatie op te slaan en te manipuleren. Sindsdien zijn er verschillende slimme algoritmes bedacht die quantumcomputers in staat te stellen supercomputers te verslaan op het gebied van bijvoorbeeld het kraken van codes, het zoeken en analyseren van specifieke data en het bepalen van eigenschappen van chemische stoffen. Deze algoritmes vereisen echter miljoenen qubits. 

Meer informatie

Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Richard Versluis, 
Richard.Versluis@tno.nl088 866 80 46.
Leonardo DiCarlo, L.DiCarlo@tudelft.nl06 8324 7883.