Een fotonisch kwantumapparaat had microseconden nodig om een ​​taak uit te voeren waar een conventionele computer 9.000 jaar mee bezig zou zijn

Zijn kwantumcomputers overhyped?

Een nieuwe studie in Natuur zegt nee. Een slim ontworpen kwantumapparaat ontwikkeld door Xanadu, een bedrijf gevestigd in Toronto, Canada, vernietigde conventionele computers voor een benchmarktaak die anders meer dan 9.000 jaar zou duren.

Voor de kwantumchip Borealis kwamen de antwoorden binnen 36 microseconden.

Xanadu’s prestatie is de laatste die de kracht van kwantumcomputing ten opzichte van conventionele computers aantoont – een schijnbaar eenvoudig idee dat kwantumvoordeel wordt genoemd.

Theoretisch is het concept logisch. In tegenstelling tot conventionele computers, die in volgorde berekenen met behulp van binaire bits – 0 of 1 – maken kwantumapparaten gebruik van de gekheid van de kwantumwereld, waar 0 en 1 beide tegelijkertijd kunnen bestaan ​​met verschillende waarschijnlijkheden. De gegevens worden verwerkt in qubits, een vrijblijvende eenheid die dankzij zijn unieke fysica tegelijkertijd meerdere berekeningen uitvoert.

Vertaling? Een kwantumcomputer is als een hyperefficiënte multitasker, terwijl conventionele computers veel lineairer zijn. Wanneer hetzelfde probleem wordt gegeven, zou een kwantumcomputer elke supercomputer in elk probleem moeten kunnen verslaan in termen van snelheid en efficiëntie. Het idee, dat ‘kwantum suprematie’ wordt genoemd, is de drijvende kracht geweest om te streven naar een nieuwe generatie computers die volledig vreemd is aan alles wat eerder is gemaakt.

Het probleem? Het bewijzen van kwantumsuprematie is buitengewoon moeilijk. Naarmate kwantumapparaten het laboratorium steeds meer verlaten om meer echte problemen op te lossen, omarmen wetenschappers een tussenliggende maatstaf: kwantumvoordeel, het idee dat een kwantumcomputer een conventionele computer kan verslaan met slechts één taak – elke taak.

In 2019 brak Google het internet met het eerste voorbeeld van een kwantumcomputer, Sycamore, die een rekenprobleem oploste in slechts 200 seconden met 54 qubits, vergeleken met de schatting van een conventionele supercomputer van 10.000 jaar. Een Chinees team volgde al snel met een tweede fascinerende demonstratie van kwantumcomputervoordeel, waarbij de machine antwoorden uitspuugde die een supercomputer meer dan twee miljard jaar zou kosten.

Toch blijft er een cruciale vraag: zijn al deze kwantumapparaten zelfs maar bijna klaar voor praktisch gebruik?

Een drastisch herontwerp

Het is gemakkelijk om te vergeten dat computers afhankelijk zijn van natuurkunde. Ons huidige systeem maakt bijvoorbeeld gebruik van elektronen en slim ontworpen chips om hun functies uit te voeren. Quantumcomputers lijken op elkaar, maar ze vertrouwen op alternatieve deeltjesfysica. De eerste generaties kwantummachines zagen eruit als delicate, glinsterende kroonluchters. Hoewel ze absoluut prachtig zijn, zijn ze in vergelijking met een compacte smartphonechip ook volkomen onpraktisch. De hardware vereist vaak strak gecontroleerde klimaten, bijvoorbeeld bijna het absolute nulpunt, om interferentie te verminderen en de efficiëntie van de computer te vergroten.

Het kernconcept van kwantumcomputing is hetzelfde: qubits verwerken gegevens in superpositie, een kwantumfysische gril waarmee ze nullen, enen of beide tegelijkertijd kunnen coderen. De hardware die het idee ondersteunt, verschilt enorm.

Google’s Sycamore maakt bijvoorbeeld gebruik van supergeleidende metalen lussen – een opzet die populair is bij andere techreuzen, waaronder IBM, dat in 2021 Eagle introduceerde, een krachtige kwantumchip van 127 qubit die ongeveer een kwart groot is. Andere iteraties van bedrijven zoals Honeywell en IonQ pakten een andere benadering aan en gebruikten ionen – atomen waarvan een of meer elektronen zijn verwijderd – als hun belangrijkste bron voor kwantumcomputers.

Een ander idee is gebaseerd op fotonen of lichtdeeltjes. Het is al bewezen dat het nuttig is: de Chinese demonstratie van kwantumvoordeel maakte bijvoorbeeld gebruik van een fotonisch apparaat. Maar het idee is ook gemeden als een opstapje naar kwantumcomputers in plaats van een praktische oplossing, grotendeels vanwege problemen bij de engineering en installatie.

Een fotonische revolutie

Het team van Xanadu bewees nee-zeggers ongelijk. De nieuwe chip, Borealis, lijkt in de verste verte op die in het Chinese onderzoek, omdat hij fotonen gebruikt – in plaats van supergeleidende materialen of ionen – voor berekeningen.

Maar het heeft een enorm voordeel: het is programmeerbaar. “Eerdere experimenten waren meestal gebaseerd op statische netwerken, waarbij elk onderdeel eenmaal is gefabriceerd”, legt Dr. Daniel Jost Brod uit van de Federal Fluminense University in Rio de Janeiro in Brazilië, die niet bij het onderzoek betrokken was. De eerdere demonstratie van kwantumvoordeel in de Chinese studie maakte gebruik van een statische chip. Met Borealis kunnen de optische elementen “allemaal gemakkelijk worden geprogrammeerd”, waardoor het minder een apparaat voor eenmalig gebruik is en meer een echte computer die mogelijk meerdere problemen kan oplossen. (De kwantumspeeltuin is beschikbaar in de cloud zodat iedereen kan experimenteren en verkennen zodra je je aanmeldt.)

De flexibiliteit van de chip komt van een ingenieuze ontwerpupdate, een “innovatief schema” [that] biedt indrukwekkende controle en potentieel voor schaalvergroting”, aldus Brod.

Het team richtte zich op een probleem genaamd Gaussiaanse boson-sampling, een maatstaf voor het evalueren van kwantumcomputing. De test, hoewel buitengewoon moeilijk rekenkundig, heeft niet veel invloed op problemen in de echte wereld. Net als schaken of Go voor het meten van AI-prestaties, fungeert het echter als een onbevooroordeelde rechter om de prestaties van kwantumcomputers te onderzoeken. Het is een soort “gouden standaard”: “Gaussiaanse boson-sampling is een schema dat is ontworpen om de voordelen van kwantumapparaten ten opzichte van klassieke computers aan te tonen”, legt Brod uit.

De opstelling is als een carnavals-funhouse-spiegeltent in een horrorfilm. Speciale toestanden van licht (en fotonen) – vermakelijk “squeezed states” genoemd – worden getunneld op de chip die is ingebed met een netwerk van bundelsplitsers. Elke bundelsplitser werkt als een semi-reflecterende spiegel: afhankelijk van hoe het licht valt, splitst hij zich in meerdere dochters, waarbij sommige terugkaatsen en andere erdoorheen gaan. Aan het einde van het apparaat bevindt zich een reeks fotondetectoren. Hoe meer bundelsplitsers, hoe moeilijker het is om te berekenen hoe een afzonderlijk foton bij een bepaalde detector terecht zal komen.

Als een andere visualisatie: stel je een bonenmachine voor, een bord met pinnen ingepakt in glas. Om te spelen, laat je een puck in de pinnen aan de bovenkant vallen. Als de puck valt, raakt deze willekeurig verschillende pinnen en belandt uiteindelijk in een genummerde sleuf.

Gaussiaanse bosonbemonstering vervangt de pucks door fotonen, met als doel te detecteren welk foton in welke detectorsleuf terechtkomt. Vanwege kwantumeigenschappen groeien de mogelijke resulterende distributies exponentieel en overtreffen ze snel alle supercomputerkrachten. Het is een uitstekende maatstaf, legde Brod uit, grotendeels omdat we de onderliggende fysica begrijpen, en de opstelling suggereert dat zelfs een paar honderd fotonen supercomputers kunnen uitdagen.

De nieuwe studie ging de uitdaging aan en herontdekte een fotonisch kwantumapparaat met een bewonderenswaardige 216 qubits. In tegenstelling tot klassieke ontwerpen, berekende het apparaat fotonen in bakken van aankomsttijd in plaats van de vorige standaard van richting. De truc was om lussen van optische vezels te introduceren om fotonen te vertragen, zodat ze kunnen interfereren op specifieke plekken die belangrijk zijn voor kwantumberekening.

Deze aanpassingen hebben geleid tot een enorm afgeslankt apparaat. Het gebruikelijke grote netwerk van bundelsplitsers – normaal gesproken nodig voor fotoncommunicatie – kan worden teruggebracht tot slechts drie om alle noodzakelijke vertragingen op te vangen voor fotonen om te interageren en de taak te berekenen. De lusontwerpen, samen met andere componenten, zijn ook “gemakkelijk programmeerbaar” in die zin dat een bundelsplitser in realtime kan worden verfijnd, zoals het bewerken van computercode, maar op hardwareniveau.

Het team onderging ook een standaard sanity check, waarbij werd bevestigd dat de outputgegevens correct waren.

Voorlopig blijven studies die op betrouwbare wijze kwantumsuprematie aantonen, zeldzaam. Conventionele computers hebben een voorsprong van een halve eeuw. Naarmate algoritmen blijven evolueren op conventionele computers – vooral computers die gebruikmaken van krachtige AI-gerichte chips of neuromorfische computerontwerpen – kunnen ze zelfs gemakkelijk beter presteren dan kwantumapparaten, waardoor ze moeite hebben om hun achterstand in te halen.

Maar dat is het leuke van de achtervolging. “Kwantumvoordeel is geen goed gedefinieerde drempel, gebaseerd op een enkel cijfer van verdienste. En naarmate experimenten zich ontwikkelen, zullen ook technieken om ze te simuleren toenemen – we kunnen in de nabije toekomst verwachten dat record-setting kwantumapparaten en klassieke algoritmen elkaar om de beurt uitdagen voor de eerste plaats, “zei Brod.

“Het is misschien niet het einde van het verhaal”, vervolgde hij. Maar de nieuwe studie “is een sprong voorwaarts voor de kwantumfysica in deze race.”

Afbeelding tegoed: geralt / 24493 afbeeldingen

Leave a Reply

Your email address will not be published.