We leren allemaal al vroeg dat computers werken met nullen en enen, ook wel binaire informatie genoemd. Deze aanpak is zo succesvol geweest dat computers nu alles aandrijven, van koffiemachines tot zelfrijdende auto's, en het is moeilijk om je een leven zonder voor te stellen.

Voortbouwend op dit succes zijn de huidige kwantumcomputers ook ontworpen met binaire informatieverwerking in het achterhoofd. "De bouwstenen van kwantumcomputers zijn echter meer dan alleen nullen en enen", legt Martin Ringbauer uit, een experimenteel natuurkundige uit Innsbruck, Oostenrijk. "Door ze te beperken tot binaire systemen, kunnen deze apparaten hun ware potentieel niet waarmaken."

Het team onder leiding van Thomas Monz van de afdeling Experimentele Fysica van de Universiteit van Innsbruck is er nu in geslaagd een kwantumcomputer te ontwikkelen die willekeurige berekeningen kan uitvoeren met zogenaamde kwantumcijfers (qubits), waardoor meer rekenkracht wordt ontsloten met minder kwantumdeeltjes. Hun studie is gepubliceerd in Nature Physics .

Kwantumsystemen zijn anders

Hoewel het opslaan van informatie in nullen en enen niet de meest efficiënte manier is om berekeningen uit te voeren, is het wel de eenvoudigste manier. Eenvoudig betekent vaak ook betrouwbaar en robuust, dus binaire informatie is de onbetwiste standaard geworden voor klassieke computers.

In de kwantumwereld is de situatie heel anders. In de Innsbruck-kwantumcomputer wordt informatie bijvoorbeeld opgeslagen in individuele opgesloten calciumatomen. Elk van deze atomen heeft van nature acht verschillende toestanden, waarvan er doorgaans slechts twee worden gebruikt om informatie op te slaan. Inderdaad, bijna alle bestaande kwantumcomputers hebben toegang tot meer kwantumtoestanden dan ze gebruiken voor berekeningen.

Een natuurlijke benadering van hardware en software

De natuurkundigen uit Innsbruck hebben nu een kwantumcomputer ontwikkeld die het volledige potentieel van deze atomen kan benutten, door te rekenen met qubits. In tegenstelling tot het klassieke geval maakt het gebruik van meer toestanden de computer niet minder betrouwbaar. "Kwantumsystemen hebben van nature meer dan twee toestanden en we hebben laten zien dat we ze allemaal even goed kunnen beheersen", zegt Thomas Monz.

Aan de andere kant worden veel van de taken waarvoor kwantumcomputers nodig zijn, zoals problemen in de natuurkunde, scheikunde of materiaalkunde, ook van nature uitgedrukt in de qudit-taal. Ze herschrijven voor qubits kan ze vaak te ingewikkeld maken voor de huidige kwantumcomputers. "Werken met meer dan nullen en enen is heel natuurlijk, niet alleen voor de kwantumcomputer maar ook voor zijn toepassingen, waardoor we het ware potentieel van kwantumsystemen kunnen ontsluiten", legt Martin Ringbauer uit. + Verder verkennen

Foutloze kwantumcomputing wordt werkelijkheid