Begrijpen van Qubits – Doorbraken in Teleportatie en Gecontroleerde Interactie

Er gebeurt veel in de wereld van quantumcomputing. Chipgigant Nvidia (NVDA ) heeft een open-source CUDA-Q platform gelanceerd om quantumcomputinginspanningen te versnellen, terwijl China zijn grootste quantumcomputingchip heeft gecreëerd. Daarnaast hebben wetenschappers van de Universiteit van Manchester ultra-puur silicium ontwikkeld dat de weg vrijmaakt voor computers van de volgende generatie.

Al deze opwinding en ontwikkeling rond quantumcomputers is logisch, aangezien de technologie enorme potentie heeft in diverse vakgebieden, waaronder cryptografie, geneesmiddelenontdekking, het oplossen van complexe optimalisatieproblemen, het verbeteren van machine‑learningalgoritmen en nog veel meer.

Quantumcomputers kunnen dit allemaal bereiken door gebruik te maken van de kwantumtheorie, die het gedrag en de aard van materie en energie op atomair en zelfs nog kleinere subatomische niveaus beschrijft. Quantumcomputing maakt gebruik van subatomaire deeltjes zoals fotonen en elektronen. Qubits (quantum bits) laten die deeltjes vervolgens gelijktijdig in meerdere toestanden bestaan en worden gemanipuleerd door controle‑apparaten.

Om exponentieel hogere snelheden te behalen dan uw traditionele computer en tegelijkertijd minder energie te verbruiken, gebruiken quantumcomputers superpositie en verstrengeling.

Superpositie houdt in dat twee of meer kwantumtoestanden worden gecombineerd om een nieuwe geldige kwantumtoestand te creëren. De superpositie van qubits stelt quantumcomputers in staat om miljoenen bewerkingen gelijktijdig uit te voeren.

Verstrengeling treedt op wanneer twee systemen met elkaar verbonden zijn, zodat het kennen van de toestand van het ene systeem onmiddellijke kennis over het andere oplevert. Dit maakt het mogelijk voor quantumcomputers om complexe problemen snel op te lossen.

Het probleem hierbij is decoherentie, het verlies van de kwantumtoestand in een qubit door factoren zoals straling, trillingen of temperatuurveranderingen. Dit veroorzaakt fouten in de berekeningen. Om qubits te beschermen tegen interferentie worden ze geplaatst in vacuümkamers, geïsoleerd en in supergekoelde koelkasten.

Zoals we hebben gezien, spelen qubits een cruciale rol bij het realiseren van quantumcomputing, maar er is nog niet alles over hen bekend. Twee recente onafhankelijke experimenten hebben echter ons begrip van qubits vergroot, wat een belangrijke stap markeert richting de bouw van een functionele quantumcomputer.

Quantumteleportatie Bereikt

Nieuw onderzoek heeft met succes quantumteleportatie bereikt ondanks al het lawaai dat normaal gesproken de overdracht van een kwantumtoestand verstoort. Bij teleportatie wordt een qubit van de ene locatie naar de andere overgebracht zonder dat het deeltje zelf wordt verzonden.

In theorie kan de overdracht van de kwantumtoestand zonder problemen worden uitgevoerd, maar in de praktijk verminderen storingen en ruis de kwaliteit van quantumteleportatie. De onderzoekers van de nieuwste studie ontdekten daarom dat het bereiken van perfecte quantumteleportatie ondanks de ruis een grote prestatie is.

Gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances bespreekt de studie hoe verstrengeling en decoherentie tegenkrachten zijn van vele kwantumprotocollen en -technologieën.

Volgens het onderzoek is quantumverstrengeling die optreedt in correlaties over willekeurig lange afstanden zeer belangrijk voor de fundamenten van de kwantummechanica. Het heeft vele toepassingen in informatieverwerking en communicatie. De interacties tussen een kwantumsysteem en zijn omgeving zijn echter onvermijdelijk, en decoherentie kan de prestaties van deze toepassingen ernstig verminderen.

Hoewel er veel veelbelovende protocollen voor het onderdrukken van decoherentie bestaan, met recente werken die decoherentie‑vrije subruimtes, dynamische ontkoppeling, quantum‑foutcorrigerende codes, vertraagde coherente quantum‑feedback en reservoir‑engineering met auxiliaire subsystemen benutten, is het vermijden van decoherentie in de praktijk buitengewoon veeleisend.

Daarom stelde de studie een efficiënt protocol voor quantumteleportatie in absolute decoherentie voor.

De studie, uitgevoerd door onderzoekers van de University of Science and Technology of China in Hefei en de University of Turku in Finland, maakte gebruik van multipartiete hybride verstrengeling tussen de auxiliaire qubits en hun lokale omgevingen binnen de context van een open‑kwantumsysteem, waardoor een hoge nauwkeurigheid werd bereikt.

Volgens de onderzoekers is lineaire optica een bijzonder robuust platform voor het uitvoeren van verschillende quantum‑informatie‑protocollen en het bestuderen van problemen met decoherentie.

Het werk in deze studie, volgens Jyrki Piilo, een professor van de University of Turku, maakt gebruik van het concept van gedistribueerde verstrengeling. Deze verstrengelingsdistributie gaat verder dan de gebruikte qubits en wordt uitgevoerd vóór het starten van het protocol. Dit betekent “het benutten van hybride verstrengeling tussen verschillende fysieke vrijheidsgraden,” aldus Piilo.

Traditioneel is fotonpolarisatie gebruikt om qubits te verstrengelen bij teleportatie. De nieuwe aanpak maakt echter gebruik van hybride verstrengeling tussen fotonpolarisatie en frequentie.

Dit brengt een grote verandering teweeg in hoe ruis het protocol beïnvloedt. De ontdekking, in feite, “draait de rol van ruis om van schadelijk naar gunstig voor teleportatie,” stelde Piilo.

Traditioneel werkt het teleportatieprotocol niet wanneer er niet alleen ruis is tijdens de qubit‑verstrengeling, maar ook wanneer er aanvankelijk hybride verstrengeling zonder enige ruis aanwezig is. In tegenstelling hiermee, wanneer er hybride verstrengeling is en daarna ruis wordt toegevoegd, verlopen zowel de teleportatie als de kwantumtoestand‑overdracht bijna perfect.

Op deze manier maakt de nieuwste ontdekking bijna ideale teleportatie mogelijk, ondanks de ruis die gepaard gaat met het gebruik van fotonen.

“Hoewel we talrijke experimenten hebben uitgevoerd op verschillende aspecten van de quantumfysica met fotonen in ons laboratorium, was het zeer opwindend en bevredigend om dit zeer uitdagende teleportatie‑experiment succesvol afgerond te zien.”

De studie merkte op dat, naast het bestrijden van decoherentie, hybride verstrengeling hen ook heeft geholpen een extra beveiligingslaag toe te voegen. De studie stelde:

“Het zou een interessante richting voor toekomstig onderzoek zijn om te onderzoeken hoe diep de geteleporteerde informatie verborgen kan worden.”

Dit is slechts het begin, aangezien de studie van fundamenteel belang is voor het openen van nieuwe wegen voor toekomstig werk in quantum‑protocollen door dit als basisonderzoek te gebruiken. Een manier waarop de techniek kan worden toegepast, is bij toestandsoverdracht buiten quantumteleportatie en buiten decoherentie‑vrije subruimtes.

Het onderzoek opent ook de mogelijkheid om te onderzoeken of decoherentie kan worden omgekeerd in andere fysieke platforms, inclusief verschillende bronnen van ruis.

Klik hier om meer te leren over de huidige staat van quantumcomputing.

Realisatie van een Twee‑Qubit‑poort in een Conventionele Siliciumtransistor

De andere studie, uitgevoerd door onderzoekers van de oudste universiteit van Zwitserland, de Universiteit van Basel, in samenwerking met die van het National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN, heeft een doorbraak bereikt door een controleerbare interactie tussen twee hole‑spin‑qubits in een traditionele siliciumtransistor te realiseren.

Gepubliceerd in Nature, merkte de studie, die open‑access financiering van de Universiteit van Basel ontving, op dat halfgeleider‑spin‑qubits het potentieel bieden om industriële transistor‑technologie te gebruiken voor de productie van grootschalige quantumcomputers.

Voor een quantumcomputer om berekeningen uit te voeren, heeft hij “quantum‑poorten” nodig, dit zijn bewerkingen die de qubits manipuleren en met elkaar koppelen. De onderzoekers van de nieuwste studie slaagden erin niet alleen twee qubits te koppelen, maar ook een gecontroleerde omkering van een van hun spins te bewerkstelligen, afhankelijk van de spin‑toestand van de ander. De koppeling hangt af van de uitwisselingsinteractie van de twee spin‑qubits.

“Hole‑spins stellen ons in staat om twee‑qubit‑poorten te creëren die zowel snel als van hoge fideliteit zijn. Dit principe maakt nu ook mogelijk om een groter aantal qubit‑paren te koppelen.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Onderzoekers hebben al een paar jaar geleden aangetoond dat de hole‑spins in een bestaand elektronisch apparaat kunnen worden opgesloten en als qubits kunnen worden gebruikt. Nu heeft Kuhlmann dit team van Basel‑fysici geleid naar succes bij het realiseren van een interactie tussen twee qubits die controleerbaar is.

Hoewel de betreffende qubits profiteren van elektrische controleerbaarheid en van sweet spots om lading en ruis te neutraliseren, is het demonstreren van een twee‑qubit‑interactie uitdagend gebleken.

Een ontbrekende factor, volgens de studie, was het begrip van uitwisselingskoppeling tijdens een sterke spin‑orbit‑interactie. Om dit aan te pakken, onderzochten de wetenschappers twee hole‑spin‑qubits in een silicium‑“FinFETs” of fin‑field‑effect‑transistor. Spin‑orbit‑koppeling betekent dat de spin‑toestand van een hole wordt beïnvloed door zijn beweging door de ruimte.

Daarom worden halfgeleider‑quantumdots (QD) spin‑qubits gezien als het meest geschikt voor toekomstige implementaties van grootschalige quantumcircuits. Zelfs de meest geavanceerde spin‑gebaseerde quantumprocessor maakt momenteel universele controle mogelijk van zes electron‑spin‑qubits in silicium (Si). Dit wordt nauw gevolgd door een demonstratie van vier qubits met holes in germanium.

Voor de studie gebruikten de onderzoekers een qubit dat de spin van een elektron of een hole gebruikt. Zowel elektronen als holes spinnen en nemen ofwel de up‑ of down‑toestand aan.

Hole‑spins kunnen, in vergelijking met electron‑spins, volledig elektrisch worden gecontroleerd zonder de noodzaak van orbitale degeneratie of extra componenten zoals on‑chip micromagneten, die de complexiteit verhogen. Dit komt door hun intrinsieke spin‑orbit‑interactie (SOI). Holes profiteren bovendien van een verminderde hyperfijne interactie en het ontbreken van een vallei.

Daarmee toont de studie het vermogen om de uitwisseling elektrisch te controleren en een conditionele spin‑omkering uit te voeren in 24 ns. Het uitwisselings‑Hamiltoniaan heeft niet langer de Heisenberg‑vorm en kan worden ontworpen om twee‑qubit‑gecontroleerde rotatiepoorten mogelijk te maken zonder snelheid ten koste van nauwkeurigheid of omgekeerd. Volgens het onderzoek:

“Dit ideale gedrag geldt over een breed scala aan magnetische veldoriëntaties, waardoor het concept robuust is ten opzichte van variaties van qubit tot qubit, wat aangeeft dat het een geschikte benadering is voor het realiseren van een grootschalige quantumcomputer.”

Deze studie suggereert het potentieel om miljoenen hole‑spin‑qubits op slechts één chip te rangschikken. De aanpak toont ook grote mogelijkheden voor de ontwikkeling van een grootschalige quantumcomputer.

Toekomstige verbeteringen in de fabricage van apparaten zijn nodig om variabiliteit te verminderen. Wanneer deze worden gecombineerd met robuuste gecontroleerde rotatie (CROT) sweet spots, zullen deze vooruitgangen “twee‑qubit‑poortoperaties met anisotrope uitwisseling zeer aantrekkelijk maken voor grootschalige qubit‑arrays.”

De onderzoeksvoortuitingen, indien gecombineerd met snelle uitlezing en werking boven 1 K, kunnen FinFET in staat stellen als een universele quantumprocessor te worden gebruikt, gerangschikt op een chip die wordt ingezet in klassieke controle‑elektronica.

Bedrijven Betrokken bij de Ontwikkeling van Quantumcomputers

Laten we nu een kijkje nemen bij bedrijven die actief werken aan quantumcomputers:

#1. IBM

IBM leidt al vele jaren het onderzoek naar quantumcomputing en ontwikkelde IBM Q System One, de eerste circuit‑gebaseerde commerciële quantumcomputer. Het bedrijf biedt toegang tot zijn quantum‑systemen via het IBM Quantum Experience‑platform.

Begin deze maand onthulde IBM zijn quantumprocessor Condor met meer dan 1.000 qubits en zijn utiliteits‑schaalprocessor IBM Quantum Heron met 133 qubits. Daarnaast kondigde het de lancering aan van een modulair quantumcomputer, Quantum System Two. Via de software‑stack Qiskit streeft IBM ernaar de ontwikkeling van quantumcomputing breed toegankelijk te maken.

Dit jaar kondigde het Japanse nationale onderzoeksinstituut RIKEN aan dat het IBM’s quantumprocessor en quantumcomputer‑architectuur zal inzetten voor integratie met supercomputer Fugaku.

Het recente onderzoek van het bedrijf op dit gebied omvat onder andere:

• Hoogdrempelige en lage overhead fouttolerante quantum‑geheugen.
• Codering van een magic state met een fideliteit die de break‑even drempel overschrijdt.
• Simulatie van grootschalige quantum‑spin‑ketens op cloud‑gebaseerde supergeleidende quantumcomputers.

Op het moment van schrijven worden de aandelen van het bedrijf verhandeld tegen $167,36, een stijging van 2,33% jaar‑tot‑datum, terwijl de marktkapitalisatie $153,73 mlrd bedraagt. IBM rapporteerde een omzet (TTM) van $62,07 mlrd, een EPS (TTM) van 9,19 en een P/E (TTM) van 18,22. Het dividendrendement bedraagt 3,99%.

Tijdens de recente Q1‑2024‑financiële rapportage zag IBM een omzetstijging van 1,5% jaar‑over‑jaar in het kwartaal tot $14,5 mlrd en een vrije kasstroom van $1,9 mlrd. Het bedrijf merkt op dat de “solide omzet‑ en vrije kasstroomgroei” de sterkte van zijn cloud‑ en AI‑strategie weerspiegelt.

#2. Google 

In de wereld van quantumcomputing heeft Google grote stappen gezet met zijn Quantum AI‑lab, dat zowel aan hardware als software werkt. Enkele jaren geleden lanceerde de divisie Sycamore, een quantumprocessor met 53 qubits. Momenteel richt de hardware van de tech‑gigant zich op supergeleidende qubits, terwijl de geavanceerde software‑stack de kracht van quantumcomputing verkent.

Een paar maanden geleden startte Google een meerjarig, wereldwijd competitie om real‑world use cases voor quantumcomputing te vinden met een prijs van $5 miljoen, die onder de finalisten wordt verdeeld. Google merkte in maart op:

“Hoewel er veel redenen zijn om optimistisch te zijn over het potentieel van quantumcomputing, zitten we nog steeds enigszins in het duister over de volledige reikwijdte van hoe, wanneer en voor welke real‑world problemen deze technologie het meest transformerend zal blijken te zijn.”

Het recente onderzoek van het bedrijf op dit gebied omvat het onderdrukken van quantumfouten door het schalen van een surface‑code logisch qubit, faseovergangen in random‑circuit‑sampling, en door meting geïnduceerde verstrengeling en teleportatie op een ruisende quantumprocessor.

Op het moment van schrijven worden de aandelen van het bedrijf verhandeld tegen $107,48, een stijging van 21,94% jaar‑tot‑datum, terwijl de marktkapitalisatie $2,12 biljoen bedraagt. Google rapporteerde een omzet (TTM) van $218,14 mlrd met een EPS (TTM) van 6,52 en een P/E (TTM) van 26/13. Het betaalt een dividendrendement van 0,47%.

Voor de resultaten van 1Q24 rapporteerde het bedrijf een omzetstijging van 13% tot $86,3 mlrd, een nettowinst van $20,28 mlrd, en het allereerste dividend van $20 per aandeel. In het voorjaar van 2024 bereikte de marktkapitalisatie een nieuwe mijlpaal van $2 biljoen, waardoor het het vierde meest waardevolle beursgenoteerde bedrijf ter wereld werd.

Conclusie

Er is een race om een functionele quantumcomputer te bouwen, waarbij onderzoekers zich richten op het begrijpen van qubits en het werken met verschillende qubit‑technologieën. Qubits vormen de basis van de quantumcomputer, aangezien zij alle verwerking, overdracht en opslag van gegevens afhandelen. Daarom richt al het onderzoek zich op qubits, inclusief de twee nieuwste die hier worden behandeld, en die bedoeld zijn om te helpen bij de bouw van een praktische quantumcomputer.

Klik hier voor de lijst van de vijf beste quantumcomputingbedrijven.