Een kwantumcomputer versloeg naar verluidt de krachtigste supercomputers met één type berekening
Google-onderzoekers melden dat hun quantumcomputer, Sycamore, een berekening heeft uitgevoerd die met geen enkele klassieke computer kan worden bereikt. De quantumchip (afgebeeld) moet worden gekoeld tot bijna absoluut nul om te kunnen functioneren.
Quantum supremacy is hier, beweren onderzoekers van Google.
Voor het eerst heeft een kwantumcomputer een probleem opgelost dat niet door een standaardcomputer kan worden uitgevoerd – althans niet binnen een redelijke tijd – kondigde Google 23 oktober aan. Deze mijlpaal, bekend als kwantumsuprematie, is een lange tijd verwachte stap naar bruikbare kwantumcomputers.
De onderzoekers voerden de taak uit met een chip die uit slechts 53 qubits bestond, de kwantumversie van de bits die in gewone computers worden aangetroffen. ‘Het is fascinerend dat we met zo’n kleine chip iets zo krachtig kunnen doen’, zegt kwantumfysicus Mária Kieferová van de University of Technology Sydney, die niet bij het onderzoek betrokken was.
Maar verwacht niet dat kwantumcomputers het plotseling overnemen. De berekening die Google’s quantumcomputer heeft uitgevoerd was niet bijzonder nuttig. In plaats daarvan was de taak die was bedoeld om te spelen met de sterke punten van kwantumcomputers en moeilijk te zijn voor een niet-quantum of ‘klassieke’ computer.
Bovendien dringen sommige onderzoekers zich terug tegen de kwantum suprematieclaim van Google, met het argument dat de mijlpaal nog moet worden bereikt.
Sinds ongeveer een maand doen geruchten de ronde onder wetenschappers dat Google binnenkort zou melden dat het kwantum suprematie heeft bereikt (SN: 21-09-19). De bedrijven officiële aankondiging, in een studie gepubliceerd op 23 oktober in Natuur, volgt op de ogenschijnlijk onbedoelde publicatie van een eerdere versie van de studie op een NASA-website in september. Dat papier werd snel verwijderd, maar kopieën ervan bleven bestaan en werden gedeeld onder onderzoekers.
Het concept van kwantumsuprematie, voorgesteld in 2012 door theoretisch natuurkundige John Preskill, heeft controverse getrokken. De term leent zich voor een hype, en sommige kwantumfysici concentreren zich liever op metrische gegevens die praktische bruikbaarheid impliceren – wat suprematie niet is.
Maar, zegt Preskill van Caltech, de demonstratie van kwantumsuprematie is niet alleen een mijlpaal in de informatica, maar ook een vooruitgang in het begrip van wetenschappers over kwantummechanica. Een computer maken die complexe kwantumberekeningen kan uitvoeren op de schaal van kwantumsuprematie is ‘een verkenning van de natuurkunde die we nog nooit eerder hebben kunnen doen’, zegt hij.
Met behulp van de computer, Sycamore genaamd, voerden Google-onderzoekers een taak uit, genaamd random circuit sampling. In wezen voerde het team een reeks gerandomiseerde bewerkingen uit op de qubits. ‘Het is letterlijk alsof de code van hun programma willekeurig is gekozen’, zegt informaticus Bill Fefferman van de University of Chicago.
Vervolgens maten de onderzoekers de waarden van alle qubits. Na het proces meerdere keren te hebben herhaald, kreeg het team een verdeling van nummers die bijna willekeurig was, maar niet helemaal dankzij kwantumeffecten. Die resulterende verdeling is erg moeilijk te berekenen via een klassieke computer. Hoewel Sycamore 200 seconden nodig heeft om het bemonsteringsproces een miljoen keer te herhalen, zou een state-of-the-art supercomputer, het krachtigste type klassieke computer dat beschikbaar is, 10.000 jaar nodig hebben om dezelfde taak uit te voeren, meldt het team.
“Met de eerste kwantumberekening die redelijkerwijs niet kan worden nagebootst op een klassieke computer, hebben we een nieuw rijk van computers geopend om te verkennen,” Google-onderzoekers John Martinis en Sergio Boixo schreef 23 oktober in een post op de AI-blog van Google. Dat komt omdat kwantumsuprematie een uitdaging vormt voor een idee dat bekend staat als de uitgebreide Church-Turing-scriptie, een principe van informatica, dat stelt dat alle redelijke soorten berekeningen kunnen worden uitgevoerd door klassieke computers. Als de suprematieclaim correct is, zou dat de eerste schending van dat principe zijn.
Maar op 21 oktober, nog voordat de wetenschappers van Google hun bewering officieel onthulden, trokken onderzoekers van IBM deze uitdaging aan. In een paper geplaatst op arXiv.org, suggereerden IBM-onderzoekers dat de berekening die volgens Google 10.000 jaar zou duren, in plaats daarvan zou kunnen zijn uitgevoerd in 2,5 dagen op een klassieke computer met een verbeterde techniek, hoewel het nog steeds de krachtigste supercomputer ter wereld vereist.
IBM heeft een concurrerende quantum computing-inspanning, die ook een quantumcomputer van 53 qubit heeft ontwikkeld. Het team is echter voorstander van een andere prestatiestatistiek dan kwantumsuprematie, bekend als kwantumvolume, dat verschillende factoren bevat, zoals hoe foutgevoelig de qubits zijn en hoe lang ze hun kwantumeigenschappen behouden. In een blogpost van 21 oktober stellen die IBM-onderzoekers dat hun resultaat betekent dat Google heeft geen kwantum suprematie bereikt ten slotte. IBM heeft echter nog geen supercomputer gebruikt om een dergelijke berekening uit te voeren, zodat het resultaat van de kwantum suprematie in een “grijs gebied” blijft, zegt Kieferová.
Toch is kwantumsuprematie geen eenvoudige lijn die moet worden overschreden, zegt kwantumfysicus Simon Devitt, ook van de University of Technology Sydney. In plaats daarvan is er een vage bufferzone. Daar valt het nieuwe resultaat, zegt hij. Maar “de suprematie is niet wat me echt boeit”, zegt hij. Wat hem in plaats daarvan op gang brengt, is het nieuwe niveau van controle over beroemde kieskeurige qubits.
“Uiteindelijk”, zei Martinis op een persconferentie op 23 oktober, “gaat dit experiment over het bouwen van de krachtigste quantumcomputer ter wereld en het laten zien dat … de zaken goed werken.”
Zodra fysici de controle over kwantumcomputers onder de knie hebben, kunnen de machines worden opgeschaald om te helpen met nuttige problemen, zoals het bestuderen van de fysica die ten grondslag ligt aan chemische reacties of zelfs het kraken van coderingstechnieken die worden gebruikt om online communicatie te beveiligen. Maar die prestaties liggen nog ver in de toekomst, zijn de onderzoekers het daarmee eens. Quantum supremacy is een stap in die richting.
‘Ik denk dat de jury er nog steeds niet uit is of dit echt kwantum suprematie is’, zegt Fefferman. Maar ‘wat er ook gebeurt, ik ben ervan overtuigd dat het een indrukwekkend experiment is. Ze maken nieuwe wegen en ze gaan waar niemand eerder is geweest. ‘
