De kwantumprocessor van de Eagle van IBM (afb: IBM)

Van de kwantumcomputer wordt veel verwacht, maar dat product uit de wereld van de onzekerheid staat op fragiele pijlers. De grote vraag is of die wankele pijlers de weelde kunnen dragen. Het lijkt er nu op dat een analyse van drie verschillende methodes tot stabilisering zou hebben uitgewezen dat de kwantumcomputers van IBM, Google en aanverwante ontwerpen zich op de rand bevinden van een chaotische ineenstorting. Dat zou betekenen dat we met de kwantumcomputer al gauw tegen grenzen aan lopen. Of daar een oplossing voor is? Het blijft martelen met het superrekentuig.
Er zijn al wat kwantumcomputers in gebruik, maar die lijken vooralsnog beperkt tot een beperkt aantal kwantumbits en hebben nog weinig van de fameuze rekenkracht waarop onderzoekers rekenen. De meeste kwabits bestaan uit virtuele deeltjes zoals ‘gaten’ in een kristalrooster in een supergeleidende metalen spoel (transmonkwabits). Die zouden minder gevoelig voor storing/ruis zijn, in de fragiele kwantumwereld een groot probleem. Die uiterst gevoelige kwabits dienen echter ook met elkaar te kunnen ‘communiceren’ om tot resultaten te komen. Zie hier het grote dilemma en dat wordt alleen maar groter als je meer kwabits bij elkaar zet.
Kwantumcomputers balanceren op het fragiele koord tussen orde (de koppeling tussen de kwabits) en wanorde (de vrijheid van de kwabits voor onafhankelijke fluctuaties). “De transmonchip duldt niet alleen maar heeft ook toevallige kwabit/kwabit-onvolkomenheden nodig”, zegt Christoph Berke van de universiteit van Keulen.
De met elkaar gekoppelde kwabits lijken op een systeem van gekoppelde slingers wier bewegingen al gauw kunnen leiden tot oncontroleerbaar gedrag met katastrofale gevolgen. Wat dat betreft moet je denken aan wat resonantie kan betekenen voor bruggen: als je wilt dat de brug onbeheersbaar gaat slingeren, dan moet je ervoor zorgen dat de wandelaars, bijvoorbeeld, die de brug oversteken uit de pas lopen.
De wanorde die in een kwantumcomputer de opzet is zou tot zulke onbeheersbare situaties kunnen leiden en dat schiet natuurlijk niet op. Ook daar wordt min of meer het principe van uit de pas lopen gepraktiseerd om een te sterke, ongewenste koppeling (resonantie) tussen de kwabits te vermijden.

Daar worden diverse methodes voor gebruikt. Zo gebruikt IBM een structuur waarbij de kwabits met eenzelfde frequentie afwisselend in een rooster worden geplaatst om ongewenste koppelingen met buurkwabits te voorkomen, maar ook dan, constateerden Berke en collega’s, kan het mis gaan. De kwantumcomputer van de TU Delft en van Google gebruiken actieve puntstoringen om ongewenste resonantie te voorkomen.
Berke: “Wij hebben bekeken hoe betrouwbaar dat (beschermings-;as)principe stabiliteit-door-toeval is in de praktijk.” Het bleek de onderzoekers dat er voor de ineenstorting een verrassende brede grijze zone is waar resonanties de kwantumtoestand al beïnvloeden, maar de harde drempel van de kwantumchaos nog niet overschrijden wordt. Bovendien bleek hen uit tests dat sommige industrieel gebruikte architecturen gevaarlijk dichtbij de gevarenzone (=instabiliteit) zaten.
“Als we Google-kwantumchips vergelijken met die van IBM”, zegt Berkes collega Simon Trebst, “dan stellen we vast dat bij IBM de kwabittoestanden zo ver gekoppeld kunnen worden dat berekeningen beïnvloed kunnen worden.”

Gevolgen

Dat zou gevolgen kunnen hebben voor voor de ontwikkeling van de kwantumcomputer. Voorlopig zullen dergelijke systemen niet eenvoudig op te schalen zijn met meer kwabits. Het is, stellen de onderzoekers, daarom wezenlijk voor de ontwikkelaars van onderdelen van de kwantumcomputer het ontwerp daarvan te combineren met de modernste kwantumtoevalsmethodiek. Daarbij zou de chaosdiagnose routineus moeten worden meegenomen in het ontwerp van kwantumprocessoren, stellen ze. Wordt het ooit nog wat met die ‘wondermachine’?

Bron: bdw