De quantumtechnologie ontwikkelt zich snel. Wetenschappers kunnen inmiddels afzonderlijke qubits met grote betrouwbaarheid controleren; zo langzamerhand wordt het tijd dat het wat meer op een echte computer gaat lijken. Bruikbare quantumchips moeten echter geprogrammeerd kunnen worden: het moet mogelijk zijn om een zelfgekozen berekening uit te voeren. Wetenschappers van QuTech in Delft hebben een programmeerbare twee-qubit quantumprocessor op basis van silicium ontwikkeld en hebben daarmee twee quantumalgoritmes uitgevoerd. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature.

Belofte

De quantumcomputer van de toekomst wordt een gamechanger op het gebied van grote berekeningen. Door gebruik te maken van quantumsuperposities en verstrengeling van quantumbits (qubits) kunnen berekeningen parallel worden uitgevoerd. Hierdoor worden berekeningen die nu in de praktijk nog onmogelijk zijn, zoals het factoriseren van grote priemgetallen en het zoeken in grote ongesorteerde lijsten, binnen afzienbare tijd mogelijk, volgens professor Lieven Vandersypen.

Programmeerbare berekeningen

Het is wetenschappers in de afgelopen jaren gelukt steeds betere qubits te realiseren. Deze enkele qubits worden inmiddels gecontroleerd en gemeten met een dermate hoge betrouwbaarheid dat praktisch programmeren mogelijk wordt. Om universele quantumberekeningen te kunnen uitvoeren, zijn operaties nodig die individuele qubits controleren en operaties die meerdere qubits gecontroleerd verstrengelen. Deze operaties moet zo voorhanden zijn dat ze in zelfverkozen volgorde een algoritme uitvoeren.

Bekend materiaal

De wetenschappers van QuTech en het Kavli Instituut voor Nanowetenschappen Delft in het team van Lieven Vandersypen, in samenwerking met collega’s van de Universiteit van Wisconsin, richten zich op qubits in silicium chips. Deze qubits ontstaan door met behulp van gecontroleerde elektrische spanning afzonderlijke elektronen ‘op te sluiten’. Silicium is een veelbelovend materiaal: het is volledig doorontwikkeld door de huidige computerindustrie en veroorzaakt weinig verstoringen van de qubits. Silicium-quantumchips lijken erg op klassieke computerchips en de qubits kunnen volledig elektronisch worden gecontroleerd.

Muntjes opgooien

Dankzij de betrouwbare operaties in de twee-qubit quantum chip lukte het de wetenschappers voor het eerst quantumalgoritmes te programmeren en uit te voeren. Het eerste algoritme, het Deutsch-Josza algoritme, test of een functie ‘even’ of ‘oneven’ is. Daarnaast voerden ze het zogeheten ‘Grover Search algoritme uit’. Dit algoritme zoekt in één keer het juiste antwoord in een ongesorteerde set.

Toekomstmuziek

Dit voorbeeld van een programmeerbare quantumchip met betrouwbare qubits in silicium is een belangrijke mijlpaal op weg naar betrouwbare en schaalbare quantum berekeningen. De wetenschappers lieten zien dat de qubits controleerbaar zijn, met hoge betrouwbaarheid kunnen worden verstrengeld en dat operaties kunnen worden samengevoegd tot een quantumalgoritme.