FOTONEN FILTEREN VOOR BETERE KWANTUMCOMPUTER

Kwantumcomputers hebben vaak honderden componenten nodig voor één betrouwbare qubit. Dat maakt opschaling ingewikkeld en duur. UT-promovendus Frank Somhorst ontwikkelde een methode specifiek voor fotonische kwantumcomputers om deze kosten omlaag te brengen. Zijn methode combineert meerdere imperfecte fotonen tot één foton met betere eigenschappen. In een conservatieve schatting kan dat het aantal benodigde fotonen per logische qubit met een factor vier verminderen. Op 6 maart promoveert hij aan de Universiteit Twente.
Wereldwijd wordt miljarden geïnvesteerd in kwantumcomputers. Omdat fotonen extreem stabiel zijn en op hoge snelheid door chips kan sturen zijn ze aantrekkelijk voor schaalbare kwantumcomputers. Maar er is een keerzijde. Voor één betrouwbaar rekenelement zijn nu vaak honderden fotonen nodig. “Dat voelt als verspilling”, zegt Somhorst. “Je bouwt een hypermoderne machine, maar onder de motorkap gooi je enorme hoeveelheden licht weg om fouten te corrigeren. Ik wilde weten: kan dat niet slimmer?”
IMPERFECTE FOTONEN
Voor betrouwbare berekeningen moeten fotonen onderling niet te onderscheiden zijn. In het lab lijken ze identiek, maar kleine verschillen kunnen roet in het eten gooien. Een foton kan net iets eerder aankomen dan een ander of een minieme kleurafwijking hebben. Zulke verschillen leiden tot fouten.
Frank Somhorst besloot het probleem bij de bron aan te pakken en ontwikkelde een methode om fotonen ‘op te schonen’. Hij ontwikkelde een optisch circuit dat meerdere imperfecte fotonen combineert en daar één betere toestand uit selecteert. “In plaats van fouten achteraf te blijven repareren, verbeteren we eerst de kwaliteit van het licht zelf”, zegt hij. “Dat is eigenlijk heel logisch. Als je invoer beter is, heb je veel minder foutcorrectie nodig.”
Hoewel voor elk ‘perfect’ foton meerdere imperfecte fotonen worden gebruikt, daalt het totale aantal benodigde fotonen sterk. In zijn modellen zijn er vier keer minder fotonen nodig. “En dat is een ondergrens”, zegt Somhorst. “We hebben bewust voorzichtig gerekend. Alles wijst erop dat de winst groter kan zijn zodra je dit op schaal toepast.”
VAN IDEE NAAR HARDWARE
Wat begon als een theoretisch idee, eindigde in echte kwantumhardware. Tijdens zijn promotie werkte Somhorst samen met het Twentse bedrijf QuiX Quantum, waar hij zijn methode testte op een geïntegreerde fotonische processor. De UT heeft inmiddels een patent op de technologie. Daarnaast initieerde hij zelf een samenwerking met NASA en bezocht hij het onderzoekscentrum NASA Ames Research Center. “Dat was surrealistisch”, zegt hij. “Je begint met een idee op papier in Twente en een paar jaar later bespreek je het bij NASA. Dat moment dacht ik: dit kan echt impact hebben.”
Fotonische kwantumcomputers staan nog in de kinderschoenen. Maar slimmer omgaan met fotonkwaliteit kan helpen om systemen kleiner, efficiënter en betaalbaarder te maken. “Dit is geen kleine optimalisatie”, zegt Somhorst. “Als je het aantal benodigde fotonen drastisch omlaag krijgt, verandert dat hoe zo’n computer eruitziet. Minder hardware, minder foutcorrectie, minder complexiteit. Dat maakt de stap naar schaalbare systemen realistischer.”
MEER INFORMATIE
Een deel van het onderzoek verscheen in het vakblad Physical Review Applied en werd daar geselecteerd als ‘Editor’s Suggestion’. Somhorst verdedigt zijn proefschrift, getiteld Perfect Photons with Imperfect Photonics for Quantum Information Processing, op vrijdag 6 maart 2026. Het onderzoek werd uitgevoerd binnen de groep Adaptive Quantum Optics (Faculteit TNW / MESA+ Institute).