Maldacena schat hoeveel bijna-foutloze qubits een holografisch universum simuleren

Volgens Maldacena’s qubit-schatting op arXiv zijn voor zijn quantumsimulatie geen ruizige qubits genoeg. Het gaat om qubits die vrijwel foutloos zijn, dicht bij het niveau van foutgecorrigeerde logische qubits. Dat aantal is nodig om een holografisch universum te simuleren, een rekenmodel waarmee natuurkundigen quantumzwaartekracht willen bestuderen. De theoretisch natuurkundige werkt bij het Institute for Advanced Study in Princeton.

De schatting steunt op het holografische principe, het idee dat Maldacena bijna drie decennia eerder zelf op papier zette. Volgens Maldacena’s oorspronkelijke publicatie beschrijft dat principe alles wat in een gebied van de ruimte gebeurt, inclusief zwaartekracht, met informatie op de rand van dat gebied. Zijn werk legt daarmee een verband tussen zwaartekracht en quantuminformatie. Dat verband is precies wat een quantumcomputer met genoeg stabiele qubits zou kunnen naspelen. In plaats van een zwart gat of een stuk kromme ruimtetijd direct te berekenen, simuleert de computer het quantumsysteem op de rand, met dezelfde uitkomst.

Het probleem is dat de qubits van vandaag daar niet voor volstaan. Bestaande quantumchips zijn ruizig: fouten in individuele qubits stapelen zich op zodra een berekening langer of complexer wordt. Dat zou de uitkomst van een simulatie van deze omvang onbruikbaar maken. Maldacena’s schatting vraagt daarom vooral om een kwaliteitssprong, niet simpelweg om meer qubits. Het gaat om foutniveaus die in de buurt komen van foutgecorrigeerde logische qubits, rekeneenheden die hun eigen fouten kunnen detecteren en herstellen.

Welke hardware daar dichterbij komt

Volgens Microsoft over eigen Majorana-onderzoek is de topologische route die het bedrijf volgt een van de aanpakken die dichter bij die stabiliteit zou kunnen komen. Onderzoeker Lauri Sainiemi van Microsofts quantumlab in Kopenhagen werkt aan qubits op basis van Majorana-deeltjes. Dat deeltjestype is van nature minder gevoelig voor de kleine verstoringen die gewone qubits laten decoheren. Microsoft demonstreerde in 2022 de onderliggende natuurkunde die nodig is om zulke topologische qubits op schaal te bouwen. Dat is nog geen werkende quantumcomputer op topologische basis, maar wel een stap in de richting die Maldacena’s schatting vereist.

Zolang die stabiliteit niet is bereikt, blijft het simuleren van een holografisch universum theoretisch werk op papier. Het is een rekenmodel waarmee natuurkundigen quantumzwaartekracht kunnen toetsen, nog geen experiment dat op bestaande chips draait. De volgende stap ligt dan ook bij qubits die de foutdrempel van Maldacena’s schatting daadwerkelijk halen, niet bij een hoger aantal.