HEADLINE: De toekomstige quantumcomputer blijkt vergeetachtig

BYLINE: BRUNO VAN WAYENBURG

BODY:

De qubit, de fundamentele informatie-eenheid van de quantumcomputer, heeft een beperkte houdbaarheid. Dat blijkt uit een theoretisch natuurkundige beschouwing van de Leidse natuurkundigen Jasper van Wezel, Jeroen van den Brink en Jan Zaanen (Physical Review Letters, 17 juni). Het resultaat betekent een onverwachte beperking aan de mogelijkheden van de quantumcomputer waaraan veel natuurkundigen werken.

Volgens de quantummechanica, die het gedrag van de natuur op de allerkleinste schaal beschrijft, kunnen deeltjes of hele quantummechanische systemen bestaan in ofwel combinaties, 'superposities', van toestanden. Zo kan een elektron, of een stroompje in een supergeleidend ringetje, tegelijk linksom (1) en rechtsom (0) draaien.

Quantumcomputers, die overigens alleen nog op papier bestaan, maken gebruik van dit enigszins schizofrene gedrag. Met een koppeling van een beperkt aantal qubits kunnen ze in een klap een parallelle berekening uitvoeren op een zeer groot aantal uitgangswaarden. Bepaalde berekeningen verlopen daardoor veel sneller dan met hulp van gewone computers, zoals het vinden van de kortste route op een wegenkaart of het kraken van geheime codes.

Wel is voor het bouwen van een werkende quantumcomputer vereist dat de informatie in de gekoppelde qubits voor de duur van de berekening intact blijft. Interacties met de buitenwereld kunnen gemakkelijk decoherentie veroorzaken: het weglekken van de opgeslagen informatie.

Onderzoekers experimenteren wereldwijd met verschillende soorten qubits, van ionen en fotonen (lichtdeeltjes) tot minuscule supergeleidende ringetjes en supergeleidende 'quantum dots', kleine geleidende eilandjes ingebed in isolerend materiaal. Door de qubits zo veel mogelijk te isoleren van de buitenwereld zijn de decoherentietijden inmiddels opgevoerd tot enkele microseconden, waarmee de quantumcomputer binnen bereik lijkt te liggen.

Het nieuwe resultaat maakt echter onverwacht duidelijk dat er een fundamentele limiet is aan de coherentietijd in ieder geval voor qubits die uit een groot aantal deeltjes bestaan, zoals supergeleidende quantumdots en supergeleidende ringetjes. Het resultaat geldt niet voor qubits die bestaan uit enkele fotonen, ionen of elektronen.

In plaats van de invloeden van buitenaf bestudeerden de theoretisch natuurkundigen de interne wisselwerkingen van een model-qubit. Naast externe invloeden zijn er namelijk ook nog altijd interacties van het qubit met de bewegingsmogelijkheden van zijn eigen atomen. Dat zou nog niet zo'n probleem zijn als daardoor enen en de nullen in de superpositie maar op dezelfde manier veranderden. Maar omdat juist de inhoud van het qubit de eigen structuur subtiel beinvloedt, heeft een 1 te maken met iets andere interne invloeden dan de 0. Door dat verschil gaan de twee waarden in de superpositie uit de pas lopen: decoherentie is onvermijdbaar.

De natuurkundigen berekenden dat de maximale houdbaarheidopmerkelijk genoeg onafhankelijk is van de precieze details van het systeem. Alleen de afmeting van de qubit is van invloed: hoe groter het aantal deeltjes, hoe langer de decoherentietijd.