Hoe onderzoekers de levensduur van quantumcomputers drastisch verlengen

Wetenschappers hebben een manier ontdekt om te voorspellen hoe de onderdelen van een quantumcomputer zullen reageren in de toekomst. Met behulp van machine learning kan men schatten wanneer een dergelijke computer op het punt staat om te desintegreren. De wetenschappers hopen dankzij hun voorspellingen de ondergang van een quantumcomputer te kunnen voorkomen.

Quantumcomputers

Quantumcomputers tonen potentieel om berekeningen een stuk sneller uit te voeren dan momenteel mogelijk is met klassieke computersystemen. De machines maken immers gebruik van zogenaamde qubits, die tegelijkertijd de waarde 0 en 1 kunnen hebben. Dit komt doordat er niet met zekerheid gezegd kan worden of een quantumdeeltje naar beneden (0) of naar boven (1) draait, alvorens een meting is uitgevoerd. Voor de meting kan er enkel bepaald worden met welke waarschijnlijkheid het deeltje zich in een bepaalde toestand bevindt.

In een normale computer kan je met twee bits vier getallen vormen. Deze verschillende toestanden kunnen worden beschreven met slechts de waarde van de eerste en de tweede bit. In het geval van twee qubits wordt een getal echter bepaald door vier waarschijnlijkheden, namelijk de kansen dat de qubits één van de vier binaire waardes vormen. Hierdoor kan er in n qubits zoveel informatie worden vervat als 2ⁿ bits, waardoor parallelle berekeningen enorm snel kunnen worden uitgevoerd.

Onstabiel

Jammer genoeg zijn wetenschappers er vooralsnog niet in geslaagd om een stabiele quantumcomputer te creëren. Quantumsystemen worden momenteel gerandomiseerd door hun omgevingen, waardoor de quantumeigenschappen van de toestellen worden vernield. “Net zoals de individuele componenten van mobiele telefoons uiteindelijk zullen falen, gebeurt dit ook bij quantumcomputers,” legt professor Biercuk van de University of Sydney uit aan ZDNet.com. “Bij quantumtechnologie is de levensduur echter slechts een fractie van een seconde, in plaats van jaren.”

Een team onderzoekers van de University of Sydney heeft het op zich genomen om deze korte levensduur van een quantumcomputer te verlengen. Hiervoor willen ze bepalen waar en wanneer een qubit zal desintegreren. In een volgende stap kunnen ze proberen de desintegratie te voorkomen. Dit is echter moeilijker dan op het eerste zicht lijkt. Het falen van qubits gebeurt immers willekeurig. Bovendien kan je de waarde van een qubit niet meten zonder de fundamentele werking ervan te vernietigen.

Biercuk vergelijkt het probleem met tennis. “Bij tennis voorspelt een speler waar de bal terecht zal komen aan de hand van observaties van de bal in lucht. Meestal is het geweten waar de bal zal neerkomen, aangezien de regels die bepalen hoe de bal beweegt, zoals zwaartekracht, gekend en consequent zijn. Indien de regels willekeurig veranderen terwijl de bal in de lucht is, is het bijna onmogelijk om het toekomstige gedrag van de bal te voorspellen. Toch is dit de situatie waarmee we te maken krijgen bij quantumsystemen.”

Oplossing

De wetenschappers hebben een manier gevonden om het aantal metingen die ze doen op de qubits zo klein mogelijk te houden. Dit voorkomt dat door hun toedoen het quantumsysteem desintegreert. Verder maken de onderzoekers gebruik van big data en machine learning. Dankzij de technieken weten de wetenschappers hoe qubits in de tijd veranderen. Dit stelt hen in staat om erg nauwkeurig te voorspellen waar en wanneer een qubit zal falen.

Door qubits te corrigeren alvorens ze falen, hebben de wetenschappers de levensduur van een quantumcomputer twee tot drie keer langer kunnen maken. Dit zou in de toekomst echter nog langer kunnen worden. “We denken dat ons onderzoek ons op het pad heeft geplaatst dat leidt naar het ontwikkelen van nuttige quantumtechnologieën in de komende jaren,” besluit Biercuk.