Injectie van magische toestanden op IBM-quantumprocessors boven de distillatiedrempel

Waarom dit belangrijk is voor toekomstige computers

De huidige prototype-quantumcomputers zijn in principe krachtig maar in de praktijk fragiel: kleine onvolkomenheden verwarren hun berekeningen razendsnel. Dit artikel onderzoekt een concrete stap om die fragiliteit beheersbaarder te maken op IBM’s quantumhardware. De auteurs tonen aan hoe speciale “magische” quantumtoestanden—sleutelelementen voor het uitvoeren van het volledige scala aan quantumalgoritmen—betrouwbaar kunnen worden aangemaakt met minder hardwarebronnen dan voorheen en met een kwaliteit die praktisch bruikbaar is. Hun resultaten suggereren dat echt fouttolerante quantumcomputing langzaam van theorie naar technische realiteit verschuift.

Een veiligere omgeving voor quantuminformatie bouwen

Om quantuminformatie veilig te houden verspreiden onderzoekers die informatie over veel fysieke qubits volgens een gestructureerd patroon dat bekendstaat als de surface code. Deze code controleert voortdurend op fouten zonder rechtstreeks in te kijken naar de fragiele informatie zelf. De IBM-apparaten die hier worden gebruikt plaatsen qubits in een “heavy-hexagon” indeling, waarbij elke qubit hooguit drie buren raakt, in tegenstelling tot het vierzijdige rooster dat vaak in handboeken wordt verondersteld. Die hardware-indeling bemoeilijkt hoe standaard surface codes kunnen worden getekend en bediend. De auteurs nemen een zuiniger variant, de rotated surface code, en passen deze aan zodat ze natuurlijk op IBM’s hexagonale connectiviteit past, waardoor ongeveer de helft minder qubits nodig is in vergelijking met eerdere benaderingen voor grote codegroottes.

De code passend maken bij de hardware

In de handboekversie van de surface code voeren bepaalde meerqubitcontroles, stabilisatoren genoemd, bewerkingen uit op vier qubits tegelijk. Op IBM’s heavy-hexagon-chips is dit niet direct mogelijk vanwege de beperkte verbindingen. De auteurs lossen dit op door elke vierqubitcontrole te “vouwen” tot een reeks eenvoudigere tweequbitcontroles met extra brugqubits als tussenpersonen. Ze “vouwen” de transformatie daarna weer uit om de oorspronkelijke logische structuur te herstellen. Aan de buitenranden van de code, waar minder buren beschikbaar zijn, ontwerpen ze zorgvuldig kleinere tweequbit- en eenqubitcontroles die toch in hetzelfde algemene ritme passen. Simulaties onder een realistisch ruismodel tonen aan dat deze geroteerde lay-out niet alleen de prestaties behoudt, maar de toegestane fysieke foutpercentages licht verbetert ten opzichte van eerdere heavy-hexagon-codes, met drempels rond drie tot vier fouten per duizend bewerkingen.

Een vleugje quantum-magie injecteren

Informatie beschermen is maar de helft van het verhaal. Om echt universele quantumalgoritmen uit te voeren, moet een computer ook bepaalde speciale bewerkingen kunnen uitvoeren die niet kunnen worden opgebouwd uit de veiligste, eenvoudigste poorten alleen. Een krachtige omweg is het voorbereiden van “magische toestanden”, speciale enkel-qubittoestanden die, wanneer ze door slimme schakelingen worden gevoerd, die moeilijke bewerkingen vrijmaken. De auteurs implementeren een protocol genaamd magic state injection op IBM’s ibm_fez-processor met een rotated surface code van afstand 3, opgebouwd uit 25 fysieke qubits. Ze beginnen met het voorbereiden van een gekozen enkel-qubittoestand in het midden van het codepatch en eenvoudige toestanden op de omliggende qubits. Vervolgens voeren ze één ronde van foutcontrolecircuits uit die zijn afgestemd op de heavy-hexagon-indeling, en meten ten slotte alle qubits in zorgvuldig gekozen basissen om te reconstrueren welke logische toestand binnen de code is geproduceerd.

De schoonste uitkomsten selecteren

Reële apparaten zijn lawaaierig, dus het team gebruikt een strategie die bekendstaat als post-selectie: ze behouden alleen die experimentele runs waarvan de foutcontrolesignalen er perfect schoon uitzien en wijzen de rest af. Hoewel dit betekent dat ze net iets meer dan een derde van alle runs accepteren, zijn de overgebleven runs van hoge kwaliteit. Uit deze geselecteerde gebeurtenissen reconstrueren ze de gecodeerde logische toestand en vergelijken die met het ideale doel met behulp van standaardmaatregelen van quantumgelijkheid, fideliteiten genoemd. Over een breed scala van doeltoestanden op de Blochsfeer ligt de laagst waargenomen fideliteit rond 0,84 en het gemiddelde dicht bij 0,88. Opmerkelijk zijn twee bijzonder belangrijke magische toestanden, vaak aangeduid als H en T in de quantumcomputingliteratuur, die worden geproduceerd met fideliteiten rond 0,88 en 0,87—comfortabel boven de bekende drempels waar verdere “distillatie”-routines ze naar nog hogere kwaliteit kunnen brengen.

Wat dit betekent voor de quantumapparaten van morgen

In toegankelijke bewoordingen laten de auteurs zien dat IBM’s huidige quantumhardware al een compacte foutcorrigerende structuur kan huisvesten die niet alleen informatie beschermt maar ook betrouwbaar de speciale ingrediënten produceert die nodig zijn voor geavanceerde quantumalgoritmen. Hun geroteerde ontwerp spaart qubits, werkt binnen reële bedradingbeperkingen en bereikt foutpercentages onder belangrijke theoretische grenzen. Hoewel er nog veel obstakels zijn—vooral het verbeteren van metingen, het opschalen naar grotere codedistances en het verminderen van subtiele meerqubitfoutpaden—laat dit werk zien dat waardevolle, foutgecorrigeerde hulpbronnen zoals magische toestanden niet langer puur theoretisch zijn. Ze kunnen worden gecreëerd, geverifieerd en gebruikt als bouwstenen op de machines van vandaag, waarmee echt fouttolerante quantumcomputing een stap dichterbij komt.

Bronvermelding: Kim, Y., Sevior, M. & Usman, M. Magic state injection on IBM quantum processors above the distillation threshold. Sci Rep 16, 11189 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40381-1

Trefwoorden: quantumfoutcorrectie, surface code, injectie van magische toestanden, IBM-quantumprocessor, fouttolerante quantumcomputer