Quantumcomputers zullen worden gebouwd zoals LEGO

Quantumcomputers kunnen berekeningen uitvoeren op basis van de principes van de quantummechanica en zullen naar verwachting klassieke computers overtreffen bij bepaalde typen optimalisatie- en verwerkingstaken.

Hoewel natuurkundigen en ingenieurs de afgelopen decennia verschillende quantumcomputersystemen hebben gedemonstreerd, was het tot nu toe een uitdaging om deze systemen op betrouwbare wijze te schalen, zodat ze praktische problemen kunnen oplossen en tegelijkertijd fouten kunnen corrigeren die tijdens de berekeningen ontstaan.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — Het koppelen van qubits in quantumcomputers blijft een probleem.

Het bouwen van een quantumcomputer als één enkel, geïntegreerd apparaat is extreem moeilijk gebleken. Deze machines zijn afhankelijk van de manipulatie van miljoenen qubits, de basiseenheden van quantuminformatie, maar het samenvoegen van zo'n groot aantal tot één systeem is een enorme uitdaging.

Net zoals kleine LEGO-blokjes in elkaar passen om grotere, complexere ontwerpen te vormen, kunnen onderzoekers kleinere, hoogwaardigere modules bouwen en deze vervolgens aan elkaar koppelen om een compleet kwantumsysteem te vormen.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben onlangs een nieuwe modulaire kwantumarchitectuur geïntroduceerd die fouttolerante, schaalbare en herconfigureerbare schaalbaarheid van supergeleidende kwantumprocessoren mogelijk maakt. Fouttolerante schaalbaarheid is essentieel voor het behoud van kwantumeffecten en de voorwaarden die nodig zijn voor langetermijnkwantumberekeningen.

Het verbindingskabelprotocol verbindt qubitblokken met elkaar als LEGO-stenen.

Het systeem dat zij voorstellen, gepresenteerd in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature Electronics , bestaat uit verschillende modules (dat wil zeggen supergeleidende qubit-apparaten) die onafhankelijk van elkaar kunnen werken en via onderlinge verbindingen met andere modules zijn verbonden en zo een groter kwantumnetwerk vormen.

Simpel gezegd: met deze verbindingen hoeft elke qubit in het systeem slechts "plug and play" te zijn, net zoals we randapparatuur toevoegen aan een gewone computer. Dit type verbindingskabel zorgt er ook voor dat de rekenfout van het systeem wordt teruggebracht tot minder dan 1%.

"Het uitgangspunt voor dit onderzoek was het huidige inzicht op het gebied van supergeleidende quantum computing, namelijk dat we de processor zouden moeten opsplitsen in meerdere onafhankelijke apparaten – een aanpak die we 'modulaire quantum computing' noemen", beschrijft Wolfgang Pfaff, medeauteur van de studie.

De laatste jaren is dit een populaire overtuiging geworden, en zelfs bedrijven zoals IBM zijn ermee aan de slag gegaan. Dit onderzoek zou een engineeringvriendelijke verbinding met de modulaire aanpak kunnen realiseren.

In wezen ontwikkelen Pfaff en zijn collega's een strategie om kwantumapparaten met elkaar te verbinden en tegelijkertijd signaalverlies of vermogensverlies te minimaliseren tijdens de overdracht van kwantuminformatie. Bovendien willen ze de apparaten eenvoudig kunnen verbinden, loskoppelen en opnieuw configureren.

"Simpel gezegd houdt onze methode in dat we een hoogwaardige supergeleidende coaxiale kabel gebruiken, een zogenaamde busresonator", legt Pfaff uit.

Ze verbinden een capacitieve qubit met een kabel via een speciale connector, waarbij de kabel heel dicht (met een precisie van minder dan een millimeter) bij de qubit wordt geplaatst. Als ze op dezelfde kabel worden aangesloten, gebeurt dat ook bij meerdere qubits.

De nieuwe aanpak van de onderzoekers om modulaire kwantumnetwerken te creëren, heeft aanzienlijke voordelen ten opzichte van eerdere benaderingen om kwantumsystemen te schalen.

Bij de eerste tests ontdekten ze dat ze met deze methode kwantumapparaten op basis van supergeleiders veilig konden verbinden en later weer konden loskoppelen zonder ze te beschadigen en zonder dat er noemenswaardig signaalverlies in de kwantumpoorten ontstond.

"Met onze aanpak denk ik dat we de mogelijkheid hebben om herconfigureerbare kwantumsystemen vanaf nul te bouwen, met de optie om bijvoorbeeld in de loop van de tijd meer processormodules aan het netwerk van kwantumapparaten 'aan te sluiten'", voegde Pfaff toe.

We werken momenteel aan een ontwerp om te zien of we het aantal verbonden elementen kunnen vergroten en zo ons netwerk groter kunnen maken. We onderzoeken ook hoe we verliezen in het systeem beter kunnen compenseren en de architectuur compatibel kunnen maken met kwantumfoutcorrectie.