Wat is een kwantumcomputer en waar bestaat deze uit? Niet alle computers hebben recht op een dergelijke naam. Waarom dit zo is en waarom dergelijke installaties nodig zijn, legt Christopher Monroe uit, professor aan de Universiteit van Maryland en een van de leidende spelers in de wereldwijde "kwantumrace".
Het Russian Quantum Center houdt regelmatig grote internationale conferenties in Moskou die gewijd zijn aan de ontwikkeling van kwantumtechnologieën en hun praktische toepassing. Niet alleen vooraanstaande onderzoekers nemen deel aan het werk, maar ook vertegenwoordigers van grote Russische en buitenlandse bedrijven en overheidsfunctionarissen.
Dit jaar werd de conferentie bijgewoond door de leiders van drie wetenschappelijke teams die leiding gaven aan het creëren van complexe kwantumcomputersystemen. Naast Mikhail Lukin, een professor aan de Harvard University (VS), die op de vorige conferentie voor het eerst de creatie van een recordbrekende computer met 51 qubits aankondigde, namen de professoren Christopher Monroe en Harmut Neven eraan deel.
Monroe, die tegenwoordig aan de Universiteit van Maryland (VS) werkt, creëerde een machine die qua kracht bijna gelijktijdig met zijn Russisch-Amerikaanse tegenhanger vergelijkbaar was, met behulp van vergelijkbare, maar iets andere principes.
Hij sprak over de richting waarin dit systeem zich ontwikkelt, hoe het verschilt van "concurrenten" en waar de grens ligt tussen echte kwantumcomputers, die volledig overeenkomen met deze term, en computersystemen die zijn gebouwd op basis van klassieke principes.
Quantum superioriteit
Kwantumcomputers zijn speciale computerapparatuur waarvan de kracht exponentieel toeneemt door het gebruik van de wetten van de kwantummechanica in hun werk. Al dergelijke apparaten bestaan uit qubits - geheugencellen en tegelijkertijd primitieve rekenmodules die een reeks waarden tussen nul en één kunnen opslaan.
Promotie video:
Tegenwoordig zijn er twee belangrijke benaderingen voor de ontwikkeling van dergelijke apparaten: klassiek en adiabatisch. Voorstanders van de eerste van hen proberen een universele kwantumcomputer te creëren, waarin qubits zouden voldoen aan de regels waarmee gewone digitale apparaten werken. Het werken met een dergelijk computerapparaat zou idealiter niet veel verschillen van hoe ingenieurs en programmeurs conventionele computers bedienen.
Een adiabatische computer is gemakkelijker te maken, maar in zijn werkingsprincipes ligt hij dichter bij het optellen van machines, rekenlinialen en analoge computers uit het begin van de 20e eeuw, en niet bij digitale apparaten van onze tijd. Er zijn ook hybride benaderingen die de kenmerken van beide machines combineren. Onder hen kan volgens Monroe worden toegeschreven aan de computer van Mikhail Lukin.
Volgens Monroe komt dit doordat de geheugencellen in zijn machine zijn gebouwd op basis van ionen van het zeldzame aardmetaal ytterbium, waarvan de toestand niet verandert bij manipulatie met laserstralen. De kwantumcomputer van Lukin is op zijn beurt gebouwd op basis van de zogenaamde Rydberg-atomen, die niet beschermd zijn tegen dergelijke invloeden.
Het zijn atomen van rubidium-87 of andere alkalimetalen, waarvan het vrije elektron met behulp van speciale laser- of radiogolfpulsen een grote afstand van de kern is "geduwd". Hierdoor neemt de grootte van het atoom met ongeveer een miljoen keer toe, wat het in een qubit verandert, maar, zoals Monroe uitlegde, het niet kan worden verplaatst zonder deze structuur te vervormen en zonder kwantumtoestanden te vernietigen.
De afwezigheid van dergelijke problemen in ionen, volgens de Amerikaanse natuurkundige, zorgde ervoor dat zijn team geen hybride, maar een volledig gecontroleerde kwantumcomputer kon maken, waarvan wetenschappers de qubits direct kunnen manipuleren tijdens het computergebruik.
Drie jaar geleden, lang voordat grotere machines werden gemaakt, kondigden Monroe en zijn team bijvoorbeeld aan dat ze erin waren geslaagd de eerste herprogrammeerbare kwantumcomputer te maken, die uit vijf geheugencellen bestond. Dankzij de grote flexibiliteit van deze bescheiden machine konden natuurkundigen er meerdere kwantumprogramma's tegelijk op uitvoeren.
Ze slaagden er in het bijzonder in om de algoritmen van Deutsch-Jozy, Bernstein-Vazirani op deze minicomputer uit te voeren en een kwantumversie te creëren van de Fourier-transformaties, de hoeksteen van cryptografie en het breken ervan.
Deze successen, evenals de moeilijkheden om grote aantallen ionen in vallen te houden, merkt Monroe op, brachten hem ertoe te denken dat kwantumcomputersystemen modulair in plaats van monolithisch gebouwd moesten worden. Met andere woorden, "serieuze" kwantumcomputers zullen niet één geheel vertegenwoordigen, maar een soort netwerk, bestaande uit vele vergelijkbare en vrij eenvoudige modules.
Onvolmaakt vacuüm
Zulke systemen, zoals opgemerkt door de Amerikaanse professor, bestaan al, maar worden nog niet gebruikt in prototypes van kwantumcomputers om één simpele reden: ze werken ongeveer honderd keer langzamer dan de qubits zelf. Desalniettemin is hij van mening dat dit probleem volledig oplosbaar is, aangezien het eerder technisch dan wetenschappelijk van aard is.
Een ander potentieel probleem dat de werking van monolithische of gewoon grote kwantumcomputers zal verstoren, is dat het vacuüm, zoals Monroe het uitdrukte, niet perfect is. Het bevat altijd een klein aantal moleculen, die elk kunnen botsen met atomaire qubits en hun werk kunnen verstoren.
De enige manier om dit te verhelpen, is door de kwantumcomputer verder te koelen, zo dicht mogelijk bij het absolute nulpunt. Het team van Monroe is hier nog niet mee bezig, aangezien het aantal qubits in hun machine klein is, maar in de toekomst zal dit probleem zeker opgelost moeten worden.
De modulaire benadering, zoals voorgesteld door de Amerikaanse professor, zal een andere manier zijn om dit probleem op te lossen, aangezien het het mogelijk maakt de computer op te splitsen in vele onafhankelijke delen die relatief kleine aantallen qubits bevatten. In theorie zal het niet zo snel draaien als een monolithische machine, maar het zal het probleem van "imperfect vacuüm" omzeilen, aangezien de modules gemakkelijker te koelen en te besturen zijn.
Wanneer komt deze tijd? Zoals Monroe suggereert, zullen in de komende drie tot vijf jaar machines worden gemaakt met honderden qubits. Ze zullen in staat zijn om enkele tienduizenden bewerkingen uit te voeren en hebben geen extreme koeling of foutcorrectiesystemen nodig om te werken.
Dergelijke machines zullen veel complexe praktische problemen kunnen oplossen, maar het zullen geen volwaardige computers zijn in de klassieke zin van het woord. Om dit te doen, moet je het aantal qubits verhogen en ze 'leren' om zelfstandig fouten in hun werk te corrigeren. Dat duurt volgens de natuurkundige nog vijf jaar.
Laatste stuk van de race
De eerste complexe kwantumcomputers zullen volgens Monroe worden gebouwd op basis van ionische of atomaire technologieën, aangezien alle andere varianten van qubits, inclusief veelbelovende halfgeleidergeheugencellen, nog niet een vergelijkbaar ontwikkelingsniveau hebben bereikt.
“Tot nu toe zijn dit allemaal laboratoriumexperimenten van de universiteit. Deze qubits kunnen niet worden gebruikt om complete logische poorten te maken. Daarom ben ik het met Mikhail eens dat onze collega's uit Australië, Intel en andere teams veel praktische problemen zullen moeten oplossen voordat ze een volwaardig computersysteem kunnen maken”, merkt de natuurkundige op.
Hoe bepaal je de winnaar in deze "kwantumrace"? Twee jaar geleden probeerden Monroe en zijn collega's deze vraag te beantwoorden door de eerste vergelijkende tests van kwantumcomputers te organiseren. Ze kozen voor een IBM-kwantumcomputer op basis van supergeleidende qubits als concurrent voor de eerste versie van hun machine.
Om ze te vergelijken, hebben natuurkundigen en programmeurs van de Universiteit van Maryland de eerste reeks "kwantumbenchmarks" opgesteld - eenvoudige algoritmen die zowel de nauwkeurigheid als de snelheid van deze computers meten. De test leverde geen directe winnaar op - de computer van Monroe en zijn team won precies, maar verloor in snelheid aan de IBM-machine.
Tegelijkertijd gelooft Monroe dat de zogenaamde kwantumsuperioriteit - het creëren van een kwantumcomputer, waarvan het gedrag niet met andere methoden kan worden berekend - geen serieuze wetenschappelijke of praktische prestatie zal zijn.
“Het probleem zit hem in het concept zelf. Enerzijds hielpen onze experimenten met vijf dozijn qubits, zoals de experimenten van Mikhail, bij het berekenen van die dingen die anders niet kunnen worden berekend. Aan de andere kant kan dit geen superioriteit worden genoemd, omdat we niet kunnen bewijzen dat het echt niet op andere manieren kan worden berekend. Kwantum superioriteit zal vroeg of laat verschijnen, maar persoonlijk ga ik er niet achteraan,”benadrukte de wetenschapper.
Een andere moeilijkheid ligt in het feit dat we nog niet met zekerheid kunnen zeggen welke problemen kwantumcomputers kunnen oplossen en waar hun toepassing het meest redelijk en nuttig zal zijn. Hiervoor is het noodzakelijk dat zowel de wetenschappelijke omgeving als de hele samenleving dergelijke machines gaan zien als een betaalbaar en universeel hulpmiddel.
Kwantum-mysteries van het universum
Om deze reden gelooft de Amerikaanse professor niet dat adiabatische computersystemen zoals de D-Wave-apparaten kwantumcomputers kunnen worden genoemd. Hun werk is volgens de natuurkundige gebaseerd op volledig klassieke fysische principes die niets te maken hebben met echte kwantummechanica.
“Desondanks zijn analoge computers zoals deze praktisch gezien buitengewoon interessant. U kunt eenvoudig een paar magneten nemen, ze aan een driehoekig gaas bevestigen en hun gedrag volgen. Deze experimenten hebben niets met kwantumfysica te maken, maar ze zullen wel een aantal complexe optimalisatieberekeningen mogelijk maken. Daarin zijn investeerders geïnteresseerd, wat betekent dat dit niet voor niets gebeurt”, vervolgt de hoogleraar.
Welke taken kan een "echte" kwantumcomputer oplossen? Zoals Monroe opmerkte, hebben veel andere teams van natuurkundigen de afgelopen jaren contact opgenomen met zijn team. Ze zijn van plan hun machine te gebruiken om veel belangrijke wetenschappelijke problemen op te lossen die niet met een conventionele computer kunnen worden berekend.
Tot dusverre kunnen dezelfde experimenten, zoals de natuurkundige toegaf, worden uitgevoerd op gewone supercomputers. Aan de andere kant zal de komende jaren het aantal qubits in kwantummachines aanzienlijk toenemen, waardoor hun werk ontelbaar wordt.
Dit vergroot hun toepasbaarheid en maakt dergelijke experimenten tot een van de meest interessante en unieke manieren om de grootste en meest mysterieuze objecten in het heelal te bestuderen, en om veel alledaagse taken op te lossen, zoals het vinden van routes of het beheren van de economie, concludeert de onderzoeker.
