In laboratoria wereldwijd werken natuurkundigen hard aan qubits, de onderdelen van toekomstige kwantumcomputers. Die moeten, sneller dan welke klassieke computer ook, ingewikkelde problemen oplossen, codes kraken en informatie uit databases plukken.

Helaas zijn qubits van nature instabiel en kunnen ze tijdens de berekening informatie verliezen. Natuurkundigen Robert Spreeuw en Tom Hijmans maakten een rekenrecept beter bestand tegen uitvallers. Zelfs met haperende qubits liet hun gesimuleerde kwantumcomputer een normale computer in het stof bijten, schrijft het tweetal in een voorpublicatie. Hun paper is ondertussen ingediend bij een vakblad.

Waar een normale computerchip rekent met nullen en enen, maar niets ertussenin, slaat een kwantumcomputer massa’s informatie op in een klein aantal qubits. Die hebben een fantastische capaciteit: ‘om de volledige kwantumtoestand van een eiwitmolecuul op te schrijven, een paar honderd atomen, heb je aan het hele universum niet genoeg’, zegt universitair hoofddocent Robert Spreeuw.

In een kwantumcomputer krijgen de qubits informatie over allerlei uitkomsten, waarvan er één het antwoord op het rekenprobleem is. Door de qubits op de juiste manier te bewerken werken hun verschillende waarschijnlijkheidsgolven op elkaar in. Foute uitkomsten doven elkaar uit en de juiste wordt versterkt en zo steeds waarschijnlijker, tot een meting het goede antwoord uit het apparaat tovert. Door de enorme capaciteit van qubits gaat dat in veel minder rekenstappen dan een klassieke computer nodig heeft.

Rekenrecept

Een normaal rekenrecept haalt geen tijdwinst op een kwantumcomputer, dus hebben natuurkundigen en computerwetenschappers speciale kwantumalgoritmes bedacht. ‘De twee bekendste zijn die van Shor en van Grover’, vertelt Spreeuw. Shor’s algoritme rafelt heel snel grote getallen uiteen in priemgetallen, met mogelijke toepassingen in het breken van computercodes. Spreeuw: ‘het algoritme van Grover, dat wij bekeken, vist letterlijk spelden uit een hooiberg. Als je een miljoen strootjes hebt en je zoekt er één speld tussen, moet een normale pc er een half miljoen bekijken, één voor één, voor hij een 50% kans heeft de speld te vinden. Een half miljoen rekenstappen. Grover’s algoritme heeft er maar 1000 nodig.’

Een werkende kwantumcomputer bestaat voorlopig alleen op papier. Om een supercomputer eruit te rekenen heeft de computer van de toekomst tienduizend of méér qubits nodig. Op dit moment kunnen natuurkundigen in een labmodel twee tot acht qubits aan elkaar koppelen en verstrengelen, maar zulke bouwsels zijn niet eenvoudig op te schalen.

‘Het grote probleem is decoherentie’, zegt Spreeuw: ‘in de echte wereld heb je altijd last van storing, van omgevingsverschijnselen die je niet in de hand hebt’. Daardoor raken de qubits vervuild en sluipen er fouten in het eindantwoord.

Spreeuw en Hijmans pasten het tien jaar oude rekenrecept van Grover aan, waardoor het beter tegen een stootje kon. De twee onderzochten hoeveel last het algoritme heeft van een veelvoorkomende storing, wanneer een qubit spontaan van toestand verandert. ‘Het effect blijkt reuze mee te vallen’, vertelt de onderzoeker: ‘je rekent nu langer en moet je berekening een paar keer herhalen om zeker te zijn van je antwoord. Alsnog in veel minder rekenstappen dan een normale computer.’

Kwantuminformaticus dr. Ronald de Wolf van het Amsterdamse Centrum voor Wiskunde en Informatica is na even studeren positief over het werk van Spreeuw en Hijmans. ‘Ze laten zien dat Grovers algoritme nog steeds goed werkt als er een bepaald soort fouten optreedt, namelijk dissipatie.’ Volgens De Wolf is het werk van de twee natuurkundigen niet uniek: ‘Het past in een serie artikelen over hoe Grover’s algoritme tegen allerlei specifieke fouten kan. Ook zijn er zijn al wel algemene recepten bekend – fault-tolerant quantum computing die tegen veel meer soorten fouten dan alleen dissipatie beschermen, maar de overhead van die recepten is vrij hoog.’

Bij algemene vormen van foutcorrectie in kwantumcomputers zijn extra rekenstappen en extra qubits nodig om gemaakte fouten te herstellen. ‘Dit artikel maakt aannemelijk dat ook het Grover-algoritme zelf redelijk werkt bij dissipatie-fouten’, legt De Wolf uit. Al zegt een simulatie bij weinig qubits niet alles over het gedrag in een volwassen kwantumcomputer van 10.000 qubits of groter, ‘dit is best interessant.’