Google Quantum AI meldde donderdag dat een techniek genaamd magic state cultivation de fouten op de Willow-chip met ongeveer 40 keer heeft verminderd, waarbij magic states met een recordnauwkeurigheid van 99,99% werden geproduceerd. Het bedrijf zegt een van de veelbelovende theorieën uit de kwantumcomputing heeft omgezet in iets dat daadwerkelijk op een chip werkt, met de resultaten gepubliceerd in Science op donderdag.

Magic states zijn hulpbronnen voor eenmalig gebruik die nodig zijn om bruikbare kwantumprogramma's uit te voeren, en volgens Google schatten sommigen de kosten van de productie ervan op tot 95% van de capaciteit van een kwantumcomputer.

Het goedkoper maken van kwantumcomputers reikt veel verder dan natuurkundelaboratoria. Het brengt de dag dichterbij waarop de machines nuttig werk kunnen verrichten, zoals het ontwerpen van medicijnen en nieuwe materialen — en evenzeer de dag waarop iemand de versleuteling zou kunnen kraken die banklogins en Bitcoin-wallets beschermt.

Waarom magic states ertoe doen

Kwantumcomputers draaien op qubits — kwantumbits die tegelijk een mengsel van 0 en 1 kunnen bevatten, waardoor ze veel antwoarden parallel kunnen verkennen. Ze zijn ook uiterst kwetsbaar: een beetje warmte of elektrische ruis kan een qubit omslaan en een berekening verpesten, en daarom is de hele sector geobsedeerd door foutcorrectie: het verspreiden van één stuk informatie over vele qubits zodat fouten kunnen worden opgespoord en gecorrigeerd. Google's Willow-chip, eind 2024 onthuld, heeft dat principe op echte hardware gedemonstreerd: naarmate de foutcorrectiecode schaalt, dalen de foutpercentages in plaats van te stijgen.

Foutcorrectie verwerkt de eenvoudige bewerkingen goed, maar een echt bruikbaar programma heeft ook een klasse van moeilijkere bewerkingen nodig die niet op dezelfde manier beschermd kunnen worden. Om die uit te voeren moet de machine eerst magic states vervaardigen, die werken als brandstofcellen voor eenmalig gebruik voor die bewerkingen: elke staat wordt verbruikt op het moment van gebruik.

Het produceren van schone magic states was altijd al enorm duur. Volgens Google schatten sommigen de rekening op tot 95% van de volledige capaciteit van een kwantumcomputer, waardoor er weinig ruimte overblijft voor het eigenlijke rekenwerk.

Van distillatie naar cultivatie

De natuurkundigen Sergei Bravyi en Alexei Kitaev schetsten in 2004 de standaardoplossing met magic state distillation, waarbij veel ruisige magic states worden omgezet in een paar schone. Het werkt, maar vereist uitgestrekte qubit-"fabrieken" die niets anders doen.

In 2024 stelden Google-onderzoekers een goedkopere route voor die zij magic state cultivation noemden. In plaats van een fabriek gedraagt de techniek zich als een filter: een ruwe magic state wordt geïnjecteerd in een klein stukje van de chip, er wordt een reeks controles uitgevoerd, elke poging met een gedetecteerde fout wordt weggegooid en de overlevenden worden verder gekweekt. Hun artikel ging zelfs zover te suggereren dat verdere distillatie "in de praktijk misschien nooit nodig zal zijn."

"Op Google Quantum AI's Willow-processor behaalde ons protocol een opmerkelijke vermindering van fouten met een factor 40 ten opzichte van niet-gecultiveerde staten. En we verkregen T-states met een recordlogische nauwkeurigheid van 99,99%", aldus Google in de aankondiging. T-states zijn het specifieke type magic state dat wordt verbruikt om de T-gate toe te passen, een van de moeilijkere bewerkingen die foutcorrectie niet zelfstandig kan beschermen.

Slechts ongeveer 8% van de pogingen doorstond alle controles, wat betekent dat de chip meer dan negen van de tien pogingen weggooit om één schone staat te behouden.

Cryptografische inzet

Cultivation is een van de trucs achter Gidney's schatting uit 2025 dat RSA-2048-versleuteling gekraakt zou kunnen worden met minder dan een miljoen ruisige qubits, een daling met een factor 20 ten opzichte van de 20 miljoen die hij in 2019 schatte.

Google zette in maart de druk verder op, toen een Quantum AI-whitepaper, mede geschreven met Ethereum Foundation-onderzoeker Justin Drake en Stanford-cryptograaf Dan Boneh, de kosten van het kraken van Bitcoin's elliptic curve-cryptografie — de wiskunde die voorkomt dat iemand een privésleutel kan afleiden uit een publiek adres — op minder dan 500.000 fysieke qubits stelde. Dat volgde op het Quantum Echoes-experiment van het bedrijf in oktober vorig jaar, de eerste geverifieerde kwantumsnelheidswinst op echte hardware.

De verdediging volgt een eigen tempo: NIST finaliseerde in augustus 2024 zijn eerste post-quantum-cryptografienormen — algoritmen ontworpen om aanvallen van grote toekomstige kwantummachines te weerstaan — en heeft voorgesteld kwantumgevoelige publieke-sleutelschema's zoals RSA en elliptic curve-cryptografie na 2035 niet meer toe te staan in federale systemen.

Nog ver van codes kraken

Niemand is hiermee wallets aan het legen. Het experiment gebruikte hooguit 54 van Willow's 105 qubits, en het artikel merkt op dat het ontbinden van een RSA-2048-sleutel magic states zou vereisen met fouten rond één op 10 miljard — ongeveer een miljoen keer schoner dan wat Google net heeft bereikt.

Wat nu

Google zegt dat de volgende stap is om cultivation op grotere schaal uit te voeren. Het team verwacht dat het halveren van de onderliggende hardware-ruis van Willow de magic state-fouten zou terugbrengen tot ongeveer twee op 100.000, omdat fout in het proces afnemen met de derde macht van het ruisniveau van de chip. Het doorlooptarief van ongeveer 8% is het andere getal om in de gaten te houden: hoe meer pogingen alle controles doorstaan, hoe minder capaciteit van de machine verloren gaat aan pogingen die uiteindelijk worden weggegooid.