Het is wetenschappers van Stichting FOM en de Technische Universiteit Delft, werkzaam aan het Kavli Institute of Nanoscience, gelukt om fouten die ontstaan tijdens het bewaren van quantumtoestanden in een diamant te detecteren en vervolgens op te lossen. Dit is een belangrijke stap richting het beschermen van kwetsbare quantuminformatie, zodat een werkende quantumcomputer gemaakt kan worden.
Een klassieke bit van informatie heeft de waarde ‘0’ of ‘1’. Een quantumdeeltje kan daarentegen in een superpositie van twee toestanden tegelijkertijd verkeren, wat betekent dat hij ‘0’, ‘1’ of tegelijkertijd ‘0’ en ‘1’ kan zijn. Zulke quantumbits maken een krachtige nieuwe manier van informatieverwerking mogelijk. Quantumbits zijn echter erg kwetsbaar voor fouten, zoals het willekeurig omslaan van de waarde van de bit. De kleinste fouten kunnen opstapelen, zodat de quantuminformatie uiteindelijk verloren gaat. Het is dus essentieel om fouten tijdig op te sporen en verbeteren.
Quantumfoutencorrectie
In een klassieke berekening kunnen fouten gedetecteerd en gecorrigeerd worden door extra kopieën van de bits te maken en deze kopieën tussendoor met elkaar te vergelijken. Op het eerste gezicht lijkt deze vorm van foutencorrectie voor quantumtoestanden onmogelijk. Een quantumtoestand kan namelijk niet worden gekopieerd. Daarbij zal een quantumtoestand onherroepelijk veranderen wanneer hij gemeten wordt. En hoe kunnen we weten of er een fout is opgetreden, als we niet eens kunnen weten wat de toestand zelf is?
De theoretische oplossing, die is gevonden in de jaren negentig, is gebaseerd op het principe van verstrengeling. Dit is een tegenintuïtief verschijnsel waarbij quantumdeeltjes zo sterk verbonden raken dat ze niet meer als aparte toestanden beschreven kunnen worden. Door de quantumtoestand met meerdere quantumbits te versleutelen in zo’n verstrengelde toestand, kunnen onderzoekers de toestanden van de gebruikte quantumbits vergelijken en zo fouten detecteren, zonder de oorspronkelijke versleutelde informatie te meten of te verstoren.
Spins in diamant
Dr. Tim Taminiau heeft met zijn collega’s, onder leiding van FOM-werkgroepleider prof.dr.ir. Ronald Hanson, deze quantumfoutencorrectie experimenteel toegepast bij kamertemperatuur. Eerdere demonstraties werkten alleen bij hele lage temperaturen en in zeer hoog vacuüm. Het team gebruikte voor hun methode elektronen en atoomkernen in een diamant. Deze deeltjes hebben een intrinsieke eigenschap die lijkt op een heel klein magneetje, spin geheten. De twee mogelijke richtingen van deze spin, omhoog of naar beneden, vormen de waarden ‘0’ en ‘1’ van de quantumbit. De onderzoekers verstrengelden drie quantumbits en konden daarmee aantonen dat zo quantumfouten gedetecteerd en gecorrigeerd kunnen worden.
De onderzoekers zijn nu van plan om de quantumfoutencorrectie uit te breiden zodat zij quantumtoestanden tegelijkertijd tegen alle soorten fouten kunnen beschermen. Quantuminformatie die lang en foutloos in stand blijft, kan fundamenteel veilige communicatie en razendsnelle berekeningen mogelijk maken.
Hoe kan een bit willekeurig omslaan als hij zich tegelijk in beide mogelijke toestanden bevindt?