Hoe maak je bruikbare quantumberekeningen?

Dat wetenschap vaak een sport van lange adem is, dat heb je inmiddels vast begrepen. Zo is het ook gegaan met het publiceren van mijn belangrijkste resultaat in mijn promotie. Geduld, herhaling, verbeteren en wachten heeft uiteindelijk zijn vruchten afgeworpen: vandaag verschijnt de publicatie in het tijdschrift Nature Communications. Het is ons namelijk gelukt om fouten te corrigeren in de fragiele bouwstenen van de quantumcomputer.

5 mei 2016

Kwetsbare informatie

De quantumcomputer gebruikt quantum bits die niet alleen ‘0’ of ‘1’, maar ook ‘0’ en ‘1’ tegelijkertijd kunnen zijn: in een superpositie. Hierdoor lossen we straks problemen op die ver buiten de mogelijkheden van de beste klassieke computers liggen). Maar helaas is het niet zo makkelijk: quantuminformatie is zo fragiel, dat het al snel verloren gaat. Er ontstaan eigenlijk de hele tijd fouten in quantumberekeningen. Wanneer je naar een superpositie kijkt wordt deze al verstoord. Dit maakt het ook lastig te ontdekken of er fouten zijn ontstaan in de superpositie tijdens berekeningen.

Spieken naar de fout

Om bruikbare quantumberekeningen te doen is het daarom heel belangrijk om fouten in quantuminformatie te kunnen corrigeren, met quantumfoutcorrectie. Hierin wordt eerst de quantuminformatie ondergebracht in meerdere quantum bits. Daarna worden de fouten gedetecteerd via heel voorzichtige metingen die de kwetsbare quantuminformatie niet verstoren: stiekem spieken naar de fout. Uiteindelijk worden de fouten verwerkt en gecorrigeerd met snelle elektronica, terwijl de quantuminformatie gecodeerd en continu beschermd blijft.

Het principe van quantumfoutcorrectie: eerst wordt een quantumtoestand opgeslagen in meerdere quantum bits. Vervolgens worden deze quantum bits vergeleken met metingen: zijn ze nog hetzelfde of niet? De gedetecteerde fout wordt gecorrigeerd en alle informatie is er nog!
privearchief Julia Cramer

Niet zo makkelijk

Kat in het bakkie, zou je denken, die fouten moeten gewoon gecorrigeerd worden. Maar dat is in de praktijk nog niet zo makkelijk! Quantuminformatie is heel fragiel, en het is dan ook erg moeilijk metingen te doen die wél de fout ontdekken, maar niet de quantuminformatie verstoren. Daarnaast is het ontzettend lastig om de fouten zo snel te verwerken en corrigeren dat er nog wel quantuminformatie over is. De informatie gaat namelijk supersnel verloren.

Diamonds are forever

Het is ons nu gelukt om quantumfoutcorrectie toe te passen met quantumdeeltjes in diamant: een elektron en drie atomen. We bewaarden quantuminformatie door het te encoderen in de kernen van drie atomen. Het elektron hebben we gebruikt als tussenstation om te spieken naar fouten in de atomen, die in staat zijn hun informatie lang genoeg te bewaren om de fouten ook nog eens te corrigeren met behulp van snelle elektronica. Hiermee waren we de eersten die lieten zien dat we een quantumsuperpositie langer konden bewaren mét foutcorrectie dan zonder: een hele belangrijke stap in de richting van bruikbare quantumberekeningen.

behalve programmeren moesten we ook zorgen dat de opstelling in topconditie was!
privearchief Julia Cramer

Alle vereisten samen

Voordat we dit experimenteel konden doen moesten we vele stappen nemen. Zo heb ik in de koelkast waarin we onze diamanten tot bijna het absolute nulpunt brengen een magneetje geplaatst. Dit was nodig om de atoomkernen zich goed te laten gedragen. Verder moesten we heel veel programmeren en testen. Er moesten immers metingen worden gedaan om de fout te detecteren, en die uitkomst moest zo snel mogelijk verwerkt worden om de fout te corrigeren. Toen we dit eenmaal onder de knie hadden, zorgden we ervoor dat alle onderdelen in het experiment topprestaties leverden: alsof we de atoomkernen en het elektron op een trainingskamp stuurden.

Gemeten, en dan?

Nadat het ons gelukt was alle benodigdheden voor quantumfoutcorrectie samen te brengen in een experiment, was het meten zelf helemaal niet zoveel werk. Ongeveer een maand lang hielden we de meetopstelling in topconditie. Niemand mocht aan de meetopstelling komen en we zorgen ervoor dat er dag en nacht uitkomsten uitkwamen. Superhandig was het, dat we onze lab-computers overal vandaan kunnen bedienen: tijdens etentjes en in het weekend zetten we gewoon nieuwe metingen aan.

Tim Taminiau, mijn co-promotor, heeft dit project in goede banen geleidt. — Tim Taminiau, mijn co-promotor, heeft dit project in goede banen geleid.
privearchief Julia Cramer

Nog beter begrijpen

Natuurlijk zien die grafieken er ongeveer uit zoals je verwacht, maar er zijn altijd wat verassingen. Uiteindelijk is het ons gelukt al die verassingen goed te begrijpen en weten we nu precies wat er allemaal een rol speelt in de uiteindelijke resultaten. Dit lieten we zien met een gladde lijn door de experimentele datapunten. Eigenlijk hebben we evenveel geleerd over het experiment na het uitvoeren als ervoor. Ook de tijd na het experiment vond ik daardoor een hele leuke periode. Ik heb een heleboel code geschreven om de data te begrijpen en mooi weer te geven.

Opschrijven en afwachten

Uiteindelijk hebben we een kort maar krachtige tekst geschreven over deze belangrijke resultaten. Daar hebben we vier duidelijke figuren met grafieken en extra plaatjes voor uitleg bij geplaatst. Daarna was het afwachten: wil een tijdschrift dit werk publiceren? Zien anderen ook hoe belangrijk dit is? Gelukkig kregen we vaak heel positieve reacties op conferenties, en ook van de discussies hebben we nog veel geleerd. Uiteindelijk is het vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, een heel goede plek! Tijd voor een feestje ☺

Verschillende media schreven ook over de ontdekking:
de Volkskrant
Tweakers
New Scientist