Google onthult hoe kwantumcomputers beter kunnen presteren dan moderne supercomputers

Google onthult hoe kwantumcomputers beter kunnen presteren dan moderne supercomputers

Sinds de eerste kwantumcomputers begin jaren tachtig werden ontworpen, hebben onderzoekers gehoopt op de dag waarop deze apparaten Kan problemen oplossen die te moeilijk zijn voor klassieke computers. De afgelopen vijf jaar zijn deze machines hun klassieke tegenhangers daadwerkelijk gaan uitdagen, hoewel een definitieve overwinning op hen tot nu toe ongrijpbaar was.

In een huidige fase van de strijd om het zogenaamde 'kwantumvoordeel' zeggen Google-onderzoekers de voorwaarden te hebben bepaald waaronder Kwantumcomputers kunnen beter presteren dan hun klassieke collega’s. Om deze omstandigheden te begrijpen, gebruikten ze een kwantumprocessor genaamd Sycamore om willekeurige circuitsampling (RCS) uit te voeren, een eenvoudig kwantumalgoritme dat in wezen een willekeurige reeks waarden produceert.

Het team analyseerde de output van Sycamore en ontdekte dat deze door klassieke supercomputers in een geluidsarme modus kon worden "bedrogen" of verslagen terwijl RCS werd uitgevoerd. Toen de verstoringen echter tot een bepaalde drempel daalden, werd de berekening van Sycamore zo complex dat het uitvoeren van een parodie feitelijk onmogelijk was; er werd geschat dat het 's werelds snelste klassieke supercomputer tien biljoen jaar zou duren. Dit besef was aanvankelijk in een preprint gerapporteerd op de arXiv-server vorig jaar en vandaag in Nature 1 gepubliceerd.

Kwantumexperts benadrukken dat dit overtuigend bewijs is dat Sycamore in staat is beter te presteren dan elke klassieke computer waarop RCS draait. In 2019 meldde Google dat zijn kwantumcomputer RCS zou kunnen draaien en kwantumvoordeel zou kunnen behalen. Sindsdien hebben klassieke computers het algoritme echter sneller uitgevoerd dan geschat, waardoor het veronderstelde voordeel teniet werd gedaan. Michael Foss-Feig, onderzoeker op het gebied van kwantumcomputers bij het softwarebedrijf Quantinuum in Broomfield, Colorado, legt uit: "Google heeft uitstekend werk geleverd door veel bekende problemen met RCS op te helderen en op te lossen." De nieuwe resultaten laten zien hoeveel ruis kwantumcomputers kunnen hebben en toch klassieke computers kunnen verslaan.

De voortdurende concurrentie tussen klassieke en kwantumcomputers is een drijvende factor op dit gebied, aldus Chao-Yang Lu, een kwantumfysicus aan de Shanghai University of Science and Technology. Deze competitie heeft onderzoekers gemotiveerd om grotere kwantumcomputers van hogere kwaliteit te bouwen.

Het nieuwste resultaat van Google betekent echter niet dat kwantumcomputers klassieke computers zullen vervangen. Sycamore kan bijvoorbeeld geen typische bewerkingen van een gewone computer uitvoeren, zoals het opslaan van foto's of het verzenden van e-mails. Sergio Boixo, hoofd van Google’s quantum computing-project in Santa Barbara, Californië, legt uit: “Kwantumcomputers zijn niet sneller – ze zijn anders.” Ze zijn uiteindelijk bedoeld om klassiek onmogelijke – en nuttige – taken uit te voeren, zoals het nauwkeurig simuleren van chemische reacties.

De Sycamore-processor lijkt op de siliciumchips die alledaagse laptops aandrijven, maar is speciaal ontworpen om de elektronen die er doorheen stromen met kwantumprecisie te controleren. Om temperatuurschommelingen te verminderen die de delicate toestanden van de elektronen zouden vernietigen en ruis zouden veroorzaken, wordt de chip op ultrakoude temperaturen nabij het absolute nulpunt gehouden.

In plaats van klassieke bits (die altijd 0 of 1 zijn), gebruikt de kwantumchip qubits, die gebruik maken van het vermogen van elektronen om zich in een mengsel van toestanden te bevinden. Een kwantumcomputer kan sommige taken uitvoeren met exponentieel minder qubits dan de bits die een klassieke computer nodig zou hebben. Een klassieke computer heeft bijvoorbeeld 1.024 bits nodig om het RCS-algoritme uit te voeren, terwijl een kwantumcomputer slechts 10 qubits nodig heeft.

Vijf jaar geleden berichtte een team van Google-onderzoekers in Nature 2, dat het een klassieke supercomputer 10.000 jaar zou kosten om een ​​RCS-run van 200 seconden op hun 53-qubit-computer na te bootsen. Vrijwel onmiddellijk kwam de claim onder vuur te liggen; Onderzoekers van technologiegigant IBM publiceerden een preprint online 3, wat suggereerde dat een supercomputer de taak daadwerkelijk binnen een paar dagen zou kunnen voltooien. In juni gebruikten Lu en zijn collega's krachtige klassieke computers om het resultaat in iets meer dan een minuut te vervalsen 4.

Het resultaat van Google voor 2019 is niet het enige dat wordt beïnvloed door klassieke vervalsingen. In juni 2023 rapporteerden IBM-onderzoekers en anderen bewijsmateriaal 5 dat hun 127 qubit-computer zou potentieel nuttige wiskundige problemen kunnen oplossen, die “verder gaan dan brute klassieke berekeningen.” Binnen een paar weken bleek uit verschillende onderzoeken 6, 7 dat klassieke benaderingen konden blijven concurreren.

Boixo en zijn collega's wilden begrijpen hoe ruis kwantumcomputers kwetsbaar maakt voor klassieke vervalsingen. Ze ontdekten dat zelfs kleine verschillen in het foutenpercentage van de qubit – van 99,4% foutloos tot 99,7% – ervoor zorgen dat Sycamore zich gedraagt ​​alsof het zich in een nieuwe staat bevindt, vergelijkbaar met hoe materie verandert van vast naar vloeibaar.

“Wat [de ruis] doet, is dat het systeem iets klassieks wordt”, zegt Boixo. Zodra een bijgewerkte versie van Sycamore met 67 qubits een bepaalde ruisdrempel overschreed, werd de RCS-uitvoer klassiek onmogelijk te simuleren.

De afgelopen twee jaar hebben pogingen om klassieke supercomputers te overtreffen zich ook gericht op het verminderen van qubit-ruis. Foss-Feig en zijn collega's voerden RCS uit op een 56-qubit kwantumcomputer met een laag foutenpercentage 8 door. Met betere qubits, zegt hij, “kunnen klassieke computers niet langer concurreren met kwantumcomputers, tenminste niet voor RCS.”

Op een dag hopen onderzoekers dat kwantumcomputers groot genoeg en foutloos genoeg zullen zijn om het conflict tussen kwantumcomputers en klassieke computers te overstijgen. Voorlopig zijn ze tevreden met vechten. “Als je geen voordeel kunt behalen in RCS, de eenvoudigste van de applicaties”, zegt Boixo, “denk ik niet dat je met een andere applicatie kunt winnen.”

1. Morvan, A. et al. Natuur 634, 328–333 (2024).

   Artikel Google Scholar

2. Arute, F. et al. Natuur 574, 505–510 (2019).

   Artikel PubMed Google Scholar

3. Pednault, E., Gunnels, JA, Nannicini, G., Horesh, L. & Wisnieff, R. Preprint bij arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.1910.09534 (2019).

4. Zhao, X.-H. et al. Preprint bij arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.18889 (2024).

5. Kim, Y. et al. Natuur 618, 500–505 (2023).

   Artikel PubMed Google Scholar

6. Tindall, J. et al. Preprint bij arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.14887 (2023).

7. Begušić, T. & Kin-Lic Chan, G. Preprint bij arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.16372 (2023).

8. DeCross, M. et al. Preprint bij arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.02501 (2024).

Referenties downloaden