Hoe quantum is jouw quantumcomputer?
NATUURKUNDE beeld: Zhejiang University
Kunnen we bewijzen of een groot quantumsysteem zich echt gedraagt volgens de vreemde regels van de quantummechanica – of alleen maar doet alsof? Een team van natuurkundigen van de Universiteit Leiden en uit China vond in een baanbrekende studie het antwoord op deze vraag.
Je zou het een soort ‘quantum-leugendetector’ kunnen noemen: de Bell-test, ontworpen door de beroemde natuurkundige John Bell. Deze test laat zien of een machine, zoals een quantumcomputer, écht gebruikmaakt van quantumverschijnselen, of deze alleen nabootst.
Nu quantumtechnologieën steeds volwassener worden, worden ook steeds strengere tests voor quantumapparaten noodzakelijk. Dit team van onderzoekers brachten quantumtesten een grote stap verder: ze voerden de Bell-test uit in een systeem met maar liefst 73 qubits – de fundamentele bouwstenen van een quantumcomputer.
De studie werd uitgevoerd door theoretisch natuurkundigen Jordi Tura, Patrick Emonts, promovendus Mengyao Hu en gastonderzoeker Weikang Li van de Universiteit Leiden, in samenwerking met collega’s van de Tsinghua University (Beijing) en experimentele natuurkundigen van de Zhejiang University uit Hangzhou (China).
De wereld van de quantumfysica
De quantummechanica is de tak van de natuurkunde die beschrijft hoe de allerkleinste deeltjes – zoals atomen en elektronen – zich gedragen. Het is een wereld vol vreemde en soms moeilijk te begrijpen ideeën.
Een van die ideeën is quantumnonlocaliteit: het verschijnsel waarbij deeltjes elkaar direct lijken te beïnvloeden, zelfs als ze ver van elkaar verwijderd zijn. Dat klinkt vreemd, maar het is een echt effect – en het leverde zelfs de Nobelprijs voor de Natuurkunde op in 2022. Dit onderzoek richtte zich op het aantonen van dit effect, ook wel Bell-correlaties genoemd.
Experimenteren op een slimme manier
Een zeer ambitieus plan dat lukte dankzij en een slimme strategie. In plaats van direct de ingewikkelde Bell-correlaties te meten, richtten ze zich op iets waar quantumapparaten nu al goed in zijn: het minimaliseren van energie.
En dit werkte: het team creëerde een speciale quantumtoestand met 73 qubits in een supergeleidende quantumprocessor, en mat energieën veel lager dan in een klassiek systeem mogelijk zou zijn. De afwijking was zo groot – 48 standaarddeviaties – dat het vrijwel onmogelijk is dat dit toeval was.
Maar daar bleef het niet bij. De onderzoekers slaagden er ook in om een zeldzame en veel moeilijkere vorm van nonlocaliteit aan te tonen: genuine multipartite Bell-correlaties. Hierbij moeten alle qubits in het systeem meedoen, wat het nog lastiger maakt om zulke toestanden te maken – en nog moeilijker om ze te bewijzen. Toch wist het team meerdere van deze laag-energetische toestanden te creëren én te verifiëren tot wel 24 qubits, wat laat zien dat ook deze speciale quantumcorrelaties efficiënt kunnen worden aangetoond.
Dit resultaat toont aan dat quantumcomputers niet alleen groter worden – maar ook beter worden in het vertonen én bewijzen van écht quantumgedrag.
Waarom dit belangrijk is
Deze studie laat zien dat het mogelijk is om diepgaande quantumverschijnselen aan te tonen in grote, complexe systemen – iets wat nog nooit eerder op deze schaal is gelukt. Een grote stap vooruit omdat we nu onze quantumapparaten kunnen testen, we weten dan hoe ‘quantum’ ze werkelijk zijn.
Deze inzichten zijn niet alleen theoretisch interessant. Door Bell-correlaties beter te kunnen controleren, kunnen we ook quantumcommunicatie verbeteren, digitale beveiliging versterken en nieuwe quantumalgoritmes ontwikkelen.
Het artikel ‘Probing many-body Bell correlation depth with superconducting qubits’ werd gepubliceerd in PRX.