Oxford-wetenschappers verlagen kwantumfout tot recordlaag

Een groeiende belangstelling voor kwantumtechnologie heeft een marktgrootte die $1 miljard overschrijdt en wordt naar verwachting gewaardeerd op meer dan $170 miljard tegen 2040. Volgens McKinsey zou kwantumtechnologie binnen het komende decennium biljoenen dollars aan waarde kunnen creëren.

In het ecosysteem van kwantumtechnologie biedt kwantumcomputing in het bijzonder enorm potentieel. Het maakt gebruik van de kwantummechanica, die simpelweg het gedrag van materie en energie op atomair en subatomair niveau behandelt, om complexe problemen op te lossen.

Van kwantumcomputing wordt verwacht een diepgaande impact te hebben op verschillende gebieden, waaronder technologie, onderzoek, wetenschap, financiën en de economie.

In tegenstelling tot klassieke computers, zoals onze laptops, die informatie opslaan en verwerken in bits waarbij elk bit een nul of een één is, is de basiseenheid in kwantumcomputing een qubit. Een kwantumchip bestaat uit vele kwantumbits, of qubits, die doorgaans subatomaire deeltjes zijn zoals elektronen of fotonen, gemanipuleerd en gecontroleerd door speciaal ontworpen elektrische en magnetische velden.

De qubits kunnen zich in een nul‑toestand, één‑toestand of een combinatie van beide bevinden. Die combinatie, een “superpositie‑toestand” genoemd, is een unieke eigenschap die kwantumcomputers in staat stelt extreem grote datasets veel sneller op te slaan en te verwerken dan zelfs de krachtigste klassieke computers.

Tegenwoordig zijn er veel verschillende manieren om deze qubits te maken, zoals met halfgeleiders, fotonica, supergeleidend apparaten en andere benaderingen.

De kwaliteit van qubits is hier van groot belang. Ze zijn echter gevoelig voor fouten of ruis, ongewenste verstoringen die uit vele bronnen kunnen voortkomen. Deze bronnen kunnen onder meer temperatuurveranderingen, onvolkomenheden in het fabricageproces en interacties met de omgeving van de qubit omvatten.

Deze fouten verminderen de betrouwbaarheid van een qubit, wat bekend staat als fideliteit. Een qubit met hoge fideliteit is essentieel voor een kwantumchip om complexe taken uit te voeren.

Quantumbetrouwbaarheid tot Realiteit Maken

In de afgelopen decennia hebben wetenschappers gewerkt aan logische qubits, die verwijzen naar qubits die gecodeerd zijn met behulp van een verzameling fysieke qubits om fouten te voorkomen. Terwijl fysieke qubits de daadwerkelijke kwantumhardware vertegenwoordigen, is een logische qubit een abstractie die een fouttolerante qubit nabootst.

Grote ontwikkelaars van kwantumchips hebben hun focus verlegd naar logische qubits en boeken aanzienlijke vooruitgang op het gebied van kwantumfoutcorrectie.

Bijvoorbeeld, in december 2024 heeft Google (GOOG ) onthuld zijn kwantumchip genaamd Willow. Deze nieuwe chip, gebaseerd op supergeleidende qubits, wordt geprezen als een belangrijke doorbraak op het gebied van kwantumcomputing, hoewel hij momenteel geen toepassingen in de echte wereld heeft.

Doorgaans leidt het gebruik van meer qubits tot meer fouten, waardoor het systeem klassiek wordt. Google heeft echter aangetoond dat hoe meer qubits ze in Willow gebruikten, hoe minder fouten ze reduceerden, en hoe kwantumer het systeem werd.

De techgigant kon fouten “exponentieel” verminderen door het aantal qubits op te schalen, zei Hartmut Neven, oprichter van Google Quantum AI. Dit “breekt een belangrijke uitdaging in kwantumfoutcorrectie die het vakgebied bijna 30 jaar heeft nagestreefd,” voegde hij toe.

Om de prestaties van Willow te meten, gebruikte Google de random circuit sampling (RCS) standaard. Zijn kwantumchip voerde een berekening uit in minder dan vijf minuten die een supercomputer 10 septiljoen jaar zou kosten.

In februari van dit jaar heeft Microsoft (MSFT ) ook ontdekt de eerste kwantumprocessor ter wereld die wordt aangedreven door topologische qubits. Majorana 1 is ontworpen om te schalen tot een miljoen qubits op één chip. Met deze prestatie zei de techreus dat ze op schema liggen om binnen enkele jaren een prototype van een schaalbare, fouttolerante kwantumcomputer te bouwen.

De basis van Majorana 1 is de door het team behaalde doorbraak, specifiek de topoconductor, een klasse van materialen die de creatie van topologische supergeleiding mogelijk maakten. Dit is het resultaat van het vervaardigen van een apparaat dat aluminium (een supergeleider) en indiumarsenide (een halfgeleider) combineert.

Wanneer dit apparaat tot bijna nul wordt gekoeld en vervolgens met magnetische velden wordt afgestemd, vormt het topologische supergeleidende nanodraadjes, waarbij de uiteinden van de draadjes Majorana Zero Modes (MZMs) bevatten die dienen als bouwstenen van hun qubits.

Om de belofte van kwantum te realiseren, heeft het team al acht topologische qubits op een chip geplaatst die is ontworpen om één miljoen te huisvesten.

Zelfs Amazon (AMZN ) heeft zijn kwantumchip genaamd ‘Ocelot’ aangekondigd, die een schaalbare architectuur gebruikt om foutcorrectie met wel 90 % te verminderen.

De chip bestaat uit twee geïntegreerde siliciummicrochips, elk met een oppervlakte van ongeveer één vierkante centimeter, die bovenop elkaar zijn gebonden in een elektrisch verbonden chipstack. Het oppervlak van elke microchip heeft dunne lagen supergeleidende materialen, die de kwantumcircuit‑elementen vormen.

Er zijn in totaal 14 hoofdonderdelen die de Ocelot-chip vormen, waaronder vijf data‑qubits (cat‑qubits), nog eens vijf om de data‑qubits te stabiliseren, en vier extra qubits om fouten in de data‑qubits te detecteren.

De cat‑qubits slaan de kwantumtoestanden op, waarvoor ze afhankelijk zijn van oscillatoren, die gemaakt zijn van een dunne film Tantaal en voortdurend een repetitief elektrisch signaal produceren.

“Met de recente vooruitgangen in kwantumonderzoek is het niet langer een kwestie van of, maar wanneer praktische, fouttolerante kwantumcomputers beschikbaar zullen zijn voor toepassingen in de echte wereld. Ocelot is een belangrijke stap op die reis.”

– Oskar Painter, AWS-directeur van Quantum Hardware.

Men gelooft dat de Ocelot-architectuur hun “tijdlijn naar een praktische kwantumcomputer met tot vijf jaar versnelt.”

De Wedloop naar Fouttolerante Kwantumsystemen

Het verbeteren van de nauwkeurigheid van kwantumberekeningen is de focus van bedrijven en onderzoekers wereldwijd, en er zijn hier aanzienlijke stappen gezet.

Enkele jaren geleden lieten MIT-onderzoekers ontdekken een nieuw supergeleidende qubit‑kader zien dat in staat is om operaties tussen qubits met grote nauwkeurigheid uit te voeren. Het nieuwe type supergeleidende qubit is fluxonium, dat een levensduur, of coherentie‑tijden, veel langer kan hebben dan de gangbare qubits.

Coherentie‑tijd is een maat voor hoe lang een qubit operaties kan uitvoeren voordat alle informatie in de qubit verloren gaat.

“Hoe langer een qubit leeft, hoe hoger de fideliteit van de operaties die het bevordert.”

– Hoofdauteur, Leon Ding

De architectuur omvatte ondertussen een speciaal koppelings‑element tussen twee fluxonium‑qubits, waardoor ze logische operaties, bekend als poorten, met hoge nauwkeurigheid konden uitvoeren. Het onderdrukt achtergrondruis die fouten in kwantumoperaties kan veroorzaken.

De nauwkeurigheid van twee‑qubit‑poorten overschreed 99,9 % terwijl die van één‑qubit‑poorten 99,99 % bereikte. De architectuur werd ondertussen geïmplementeerd op een chip met behulp van een uitbreidbaar fabricageproces.

“Het bouwen van een grootschalige kwantumcomputer begint met robuuste qubits en poorten,” en de studie toonde een zeer veelbelovend twee‑qubit‑systeem, stelde Ding. De fluxonium‑qubits bereikten coherentie‑tijden van meer dan een milliseconde. Hun volgende stap is het aantal qubits te vergroten.

Enkele maanden geleden onthulden MIT-onderzoekers ook een supergeleidende kwantumcircuit dat een sterke niet‑lineaire koppeling tussen fotonen (microwave‑licht) en kunstmatige atomen (qubits) bereikte. Het zou het uitlezen en verwerken van kwantuminformatie in enkele nanoseconden mogelijk kunnen maken.

Hiervoor gebruikten onderzoekers een uniek supergeleidende circuit‑kader om niet‑lineaire licht‑materie‑koppeling te demonstreren, die aanzienlijk sterker is dan eerder waargenomen en een kwantumprocessor tot wel tien keer sneller kan laten werken.

Volgens hoofdauteur Yufeng “Bright” Ye:

“Dit zou echt een van de knelpunten in kwantumcomputing wegnemen. Gewoonlijk moet je de resultaten van je berekeningen meten tussen rondes van foutcorrectie. Dit zou kunnen versnellen hoe snel we de fase van fouttolerante kwantumcomputing kunnen bereiken en echte toepassingen en waarde uit onze kwantumcomputers kunnen halen.”

Opmerkelijk heeft Ye een nieuw type kwantumkoppelaar uitgevonden om interacties tussen qubits te vergemakkelijken. De quarton‑koppelaar is een speciaal soort supergeleidende circuit dat een extreem sterke niet‑lineaire koppeling kan genereren, en door er meer stroom door te voeren, creëert de koppelaar een nog sterkere niet‑lineaire interactie. Ye legde uit:

“De meeste bruikbare interacties in kwantumcomputing komen voort uit niet‑lineaire koppeling van licht en materie. Als je een veelzijdiger scala aan verschillende soorten koppeling kunt krijgen en de koppelingssterkte kunt verhogen, kun je in wezen de verwerkingssnelheid van de kwantumcomputer verhogen.”

Met dit werk hopen de onderzoekers dat anderen een fouttolerante kwantumcomputer kunnen bouwen voor praktische, grootschalige kwantumberekeningen.

Innovaties van de SQMS Nanofabrication Taskforce hebben ondertussen coherentie‑tijden tot 0,6 milliseconden bereikt, het resultaat van geoptimaliseerd qubit‑ontwerp en verbeterde uitlees‑resonatoren, die beide de stabiliteit en coherentie verbeterden.

Deze samenwerking tussen het National Institute of Standards and Technology (NIST), het Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS) Center van Fermilab, en verschillende andere overheids-, universitaire en industriële partners heeft als doel kwantumonderzoek dichter bij de realiteit te brengen.

Te midden van al deze initiatieven om schaalbare, fouttolerante kwantumcomputers te bouwen, hebben fysici van de Universiteit van Oxford een nieuw wereldrecord neergezet voor de nauwkeurigheid van qubit‑operaties.

Een Nieuwe Wereldwijde Norm voor Kwantumnauwkeurigheid Stellen

De nieuwe studie, gepubliceerd in Physical Review Letters³, toont aan dat Oxford-fysici een foutpercentage van slechts 0,000015 % hebben bereikt voor een enkele kwantumlogische bewerking.

Dit betekent één fout in 6,7 miljoen operaties, wat een nieuw record is voor de nauwkeurigheid van qubit‑operaties en een grote sprong richting robuustere en bruikbaardere kwantumcomputers om zeer complexe problemen aan te pakken met minder fysieke qubits en verminderde infrastructuurvereisten.

“Voor zover wij weten, is dit de nauwkeurigste qubit‑operatie die ooit ergens ter wereld is geregistreerd. Het is een belangrijke stap naar het bouwen van praktische kwantumcomputers die real‑world problemen kunnen aanpakken.”

– De mede‑auteur van de studie, professor David Lucas, afdeling Natuurkunde, Universiteit van Oxford

Wat interessant is, is dat deze doorbraak het vorige record van hetzelfde team verbreekt. Het nieuwe record is ongeveer zeven keer nauwkeuriger dan hun eerdere record.

Net iets meer dan een decennium geleden implementeerde het team alle één‑qubit‑operaties⁴ met fideliteiten ver boven de minimale drempel die nodig is voor fouttolerante kwantumcomputing, met behulp van een gevangen ion‑qubit die werd opgeslagen in hyperfijne “atomaire klok”‑toestanden. Destijds was hun één‑qubit‑foutpercentage 1 op 1 miljoen.

Dit succes leidde tot de oprichting van het spin‑off bedrijf Oxford Ionics in 2019, dat een leider is geworden in high‑performance trapped‑ion qubit‑platformen. In mei 2025 schetste het drie kortetermijn‑ontwikkelingsfasen: ‘Foundation’, ‘Enterprise‑grade’ en ‘Value at scale’, om binnen de komende drie jaar brede commerciële waarde te realiseren en apparaten met één miljoen qubits te leveren. Vorige week ging Oxford Ionics een overeenkomst aan met IonQ (IONQ ) om het bedrijf over te nemen voor $1,075 miljard.

Nu heeft hetzelfde team een nieuwe mijlpaal bereikt in het verminderen van de kans dat kwantumlogische poorten fouten maken.

Het uitvoeren van nuttige berekeningen op een kwantumcomputer vereist miljoenen operaties die over vele qubits worden uitgevoerd. Maar deze omvang betekent dat een hoog foutpercentage het eindresultaat zinloos en waardeloos kan maken.

Het corrigeren van de fout kan de vergissing herstellen, maar dat vereist nog meer qubits. Door de fout te verminderen, verkleint de nieuwe studie het aantal benodigde qubits, waardoor de grootte en kosten van de kwantumcomputer dalen.

“Door de kans op fouten drastisch te verkleinen, vermindert dit werk de benodigde infrastructuur voor foutcorrectie aanzienlijk, waardoor toekomstige kwantumcomputers kleiner, sneller en efficiënter kunnen worden. Precise controle over qubits zal ook nuttig zijn voor andere kwantumtechnologieën zoals klokken en kwantumsensoren,” zei de mede‑hoofdauteur van de studie, Molly Smith, een master‑studente aan Oxford.

Om het ongekende niveau van nauwkeurigheid te bereiken, gebruikten de fysici een gevangen calcium‑ion als het kwantumbit of qubit.

Calcium‑ionen worden vaak gebruikt om kwantuminformatie op te slaan vanwege hun lange coherentie‑tijden en hoge fideliteit in kwantumoperaties. Ze zijn bovendien zeer robuust en gemakkelijk met lasers te manipuleren.

Het Oxford‑team gebruikte echter niet de conventionele laserbenadering; in plaats daarvan maakten ze gebruik van elektronische (microwave) signalen om de kwantumtoestand van de calcium‑ionen te regelen.

Met deze techniek konden ze een grotere stabiliteit bereiken dan laserbesturing kan bieden. Maar dat is niet alles. In vergelijking met lasers is elektronische besturing bovendien goedkoper en robuuster. Het is ook gemakkelijker te integreren in ion‑trapping chips.

Bovendien werd het experiment uitgevoerd zonder magnetische afscherming en bij kamertemperatuur, wat de technische vereisten voor een werkende kwantumcomputer vereenvoudigt.

Zo kon het team de fout bijna een orde van grootte verminderen door betere controle van de microwave‑amplitude en -detuning met geautomatiseerde kalibratieprocedures. Daarnaast droegen verminderde excitatie van spectator‑overgangen door grotere Zeeman‑splijtingen, evenals het gebruik van pulsvorming, hieraan bij.

De recordbrekende precisie is een enorme prestatie; echter is het slechts een onderdeel van een grotere uitdaging. Zoals het team opmerkte, vereist kwantumcomputing zowel één‑qubit‑ als twee‑qubit‑poorten die samenwerken, en twee‑qubit‑poorten hebben nog steeds hoge foutpercentages.

Momenteel ligt het beste foutpercentage rond 1 op 2000, dus om een volledig fouttolerante kwantummachine te bouwen, moet het team dit cijfer verlagen.

Enkel‑qubit‑operaties met hoge fideliteit hebben nog steeds veel toepassingen, zowel binnen kwantuminformatie als daarbuiten, waaronder het beschermen van ‘idle’ qubits via dynamische decoupling, in kwantumsensor‑toepassingen, en samengestelde pulsen om individuele qubits aan te spreken en fouten te compenseren.

Investeren in Kwantumcomputing

International Business Machines Corporation (IBM ), bekend om zijn hybride cloud‑ en AI‑platformen en advies‑ en infrastructuurdiensten, verkent kwantumtechnologie sinds de jaren zeventig. In 2016 lanceerde het de IBM Quantum Experience, waarmee de eerste kwantumprocessor naar de cloud werd gebracht, waardoor deze voor iedereen toegankelijk werd.

IBM (IBM ) 

In de loop der jaren zette IBM zijn onderzoek op dit gebied voort, en vorige week kondigde het plannen aan om tegen 2029 een praktische kwantumcomputer gereed te hebben.

Met de naam “Starling” zal de fouttolerante kwantumcomputer met 200 logische qubits worden gebouwd in een datacentrum dat in aanbouw is in Poughkeepsie, New York.

Volgens rapporten heeft het team een nieuw algoritme ontwikkeld dat het aantal qubits dat nodig is voor foutcorrectie aanzienlijk vermindert. Jay Gambetta, die verantwoordelijk is voor IBM’s kwantuminitiatief, zei het volgende in een interview:

“We hebben die wetenschappelijke vragen beantwoord. Je hebt nu geen wonder meer nodig. Nu heb je een grote uitdaging in engineering nodig. Er is geen heruitvinding van gereedschap of iets dergelijks.”

Als we nu kijken naar de marktkapitalisatie van $257,64 miljard, dan presteert IBM goed; de aandelen worden momenteel verhandeld tegen $278, een stijging van 26,11 % dit jaar. IBM‑aandelen bereikten vorige week zelfs een recordhoogte (ATH) van $281,75.

Daarmee is de EPS (TTM) 5,85 en de P/E (TTM) 47,42, terwijl het dividendrendement 2,42 % bedraagt.

Wat de financiële cijfers van IBM betreft, rapporteerde het een omzet van $14,5 miljard voor het eerste kwartaal van 2025. De GAAP brutowinstmarge gedurende deze periode bedroeg 55,2 % terwijl de non‑GAAP operationele winstmarge 56,6 % was. De GAAP pre‑tax inkomstmarge was ondertussen 8 %, en de non‑GAAP operationele marge 12 %.

“We overtroffen de verwachtingen voor omzet, winstgevendheid en vrije kasstroom in dit kwartaal, gedreven door sterkte in ons software‑portfolio. Er blijft een sterke vraag naar generatieve AI en ons boek van zaken bedraagt nu meer dan $6 miljard sinds de oprichting, een stijging van meer dan $1 miljard in dit kwartaal.”

– CEO Arvind Krishna

In het eerste kwartaal van dit jaar bedroeg de netto kasstroom uit operationele activiteiten $4,4 miljard, terwijl de vrije kasstroom $2 miljard was. IBM sloot het kwartaal af met $17,6 miljard aan contanten, geblokkeerde contanten en verhandelbare effecten.

Een sterke liquiditeitspositie en solide vrije kasstroom stelden het bedrijf in staat $1,5 miljard aan aandeelhouders uit te keren in dividend. Het investeerde ook $7,1 miljard in overnames, waaronder de aankoop van HashiCorp. Volgens Krishna:

“We blijven optimistisch over de langetermijn groeikansen voor technologie en de wereldeconomie.”

Laatste Nieuws en Ontwikkelingen over International Business Machines Corporation (IBM) Aandelen

Conclusie: Volgende Stappen naar Kwantumrealiteit

Van wetenschappers tot bedrijven en overheden, iedereen is actief en diep betrokken bij het realiseren van kwantumcomputers. De nieuwste doorbraken van het Oxford‑team en technologische giganten verbeteren de qubit‑fideliteit drastisch en maken foutcorrectie efficiënter, waardoor de volgende kwantumsprong mogelijk niet meer decennialang op zich laat wachten, waardoor praktische kwantummachines onvermijdelijk worden!

Klik hier voor een lijst van topkwantumcomputingbedrijven.

Gerefereerde Studies:

<sup>1. Google Quantum AI en Medewerkers. Quantum Error Correction Below the Surface Code Threshold. Nature 2025, 638 (8016), 920–926. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08449-y
2. Bal, M.; Crisa, F.; Murthy, A. A.; et al. SQMS Nanofabrication Taskforce: Naar Fabricage van Supergeleidende Qubits met Hoge Coherentie. Conferentie, 20 september 2024. https://doi.org/10.2172/2462792
3. Smith, M. C.; Leu, A. D.; Miyanishi, K.; et al. Single‑Qubit Gates met Fouten op het Niveau van 10⁻⁷. Phys. Rev. Lett. 2025, 134, 230601. https://doi.org/10.1103/42w2-6ccy
4. Harty, T. P.; Allcock, D. T. C.; Ballance, C. J.; et al. High‑Fidelity Preparation, Gates, Memory, and Readout of a Trapped‑Ion Quantum Bit. Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 220501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.220501</sup>