Na decennia van hard werken zonder veel hoop op succes, ontwikkelde zich plotseling een hectische activiteit rond quantum computing. Bijna twee jaar geleden liet IBM de wereld een kwantumcomputer zien met vijf kwantumbits (qubits), die ze nu (wat een beetje vreemd klinkt) de IBM Q Experience noemen. Destijds was het apparaat meer een speelgoed voor onderzoekers dan een hulpmiddel voor serieuze gegevensverwerking. Maar 70 duizend gebruikers over de hele wereld hebben zich bij het project aangemeld, en inmiddels is het aantal qubits verviervoudigd. Enkele maanden geleden kondigden IBM en Intel de oprichting aan van kwantumcomputers met 50 en 49 qubits. Ook is bekend dat er binnen de muren van Google een andere computer in de coulissen zit te wachten. "De gemeenschap is vol energie en de recente doorbraken zijn verbluffend."- zegt natuurkundige Jens Eisert van de Vrije Universiteit van Berlijn.
Momenteel is er sprake van een naderende "quantum supremacy": het moment waarop een quantumcomputer een taak kan uitvoeren die zelfs de krachtigste klassieke supercomputers te boven gaat. Als we alleen getallen vergelijken, lijkt zo'n bewering misschien belachelijk: 50 qubits versus miljarden klassieke bits in elke laptop. Maar het hele punt van quantum computing is dat het quantumbit tot veel meer in staat is dan het klassieke. Lange tijd werd aangenomen dat 50 qubits voldoende zouden zijn om berekeningen uit te voeren die een conventionele computer voor onbepaalde tijd zou uitvoeren. Medio 2017 maakten onderzoekers van Google bekend dat ze tegen december kwantumsuperioriteit zouden aantonen. (Op een recent verzoek om nieuwe gegevens antwoordde een woordvoerder van het bedrijf: "We zullen de resultaten bekendmaken,zodra ze voldoende onderbouwd zijn, maar voorlopig wordt er een gedegen analyse gemaakt van de bestaande ontwikkelingen. ")
Ik zou graag willen concluderen dat alle belangrijke problemen kunnen worden opgelost en dat de toekomst, waarin kwantumcomputers een alomtegenwoordig fenomeen zijn, slechts een kwestie is van technische apparatuur. Maar hij zal het mis hebben. De fysieke problemen die aan de basis liggen van quantum computing, zijn nog lang niet opgelost.
Zelfs als we binnenkort een tijdperk van kwantumoverheersing ingaan, kunnen de volgende jaren of twee doorslaggevend zijn - zullen kwantumcomputers echt de manier waarop we computergebruik doen volledig veranderen? De inzet is nog steeds hoog en er is geen garantie dat de doelstelling zal worden gehaald.
Zwijg en bereken
Zowel de voordelen als de uitdagingen van quantum computing zijn inherent aan de fysica die het mogelijk maakt. De basis is al meer dan eens gezegd, hoewel niet altijd duidelijk is wat de kwantummechanica vereist. Klassieke computers slaan informatie op en verwerken deze in binaire code (0 of 1). In kwantumcomputers is de situatie bijna hetzelfde, alleen bevindt elk bit zich in de zogenaamde superpositie, dat wil zeggen dat het tegelijkertijd zowel 0 als 1 kan zijn. Dit betekent dat de toestand van een qubit alleen met een bepaalde waarschijnlijkheid kan worden bepaald.
Om een berekening uit te voeren met een groot aantal qubits, moeten ze allemaal in onderling afhankelijke superposities zijn - in een staat van "kwantumcoherentie", waarin alle qubits als verstrengeld worden beschouwd. In dit geval kan de kleinste wijziging in één qubit van invloed zijn op alle andere. Dat wil zeggen, computationele bewerkingen die qubits gebruiken, hebben een hogere prestatie dan het gebruik van klassieke bits. In een klassiek apparaat zijn de rekenmogelijkheden eenvoudigweg afhankelijk van het aantal bits, maar de toevoeging van elke nieuwe qubit vergroot de mogelijkheden van een kwantumcomputer 2 keer. Dit is de reden waarom het verschil tussen een 5-qubit en een 50-qubit-apparaat zo groot is.
Promotie video:
Merk op dat ik niet, zoals vaak wordt gedaan, heb gezegd dat het voordeel van een kwantumcomputer boven een klassieke ligt in het bestaan van superposities, die het aantal mogelijke toestanden van gecodeerde informatie aanzienlijk vergroten. Zoals ik niet zei, maakt verstrengeling het mogelijk om veel berekeningen tegelijkertijd uit te voeren. (Eigenlijk is een hoge mate van verstrengeling van qubits geen vereiste.) Hier zit enige waarheid in, maar geen van de uitspraken beschrijft de essentie van kwantumberekening.
Vanwege de complexiteit van het begrijpen van de kwantummechanica, is het een ontmoedigende taak om uit te leggen waarom kwantumberekening zo krachtig is. De vergelijkingen van de kwantumtheorie laten zeker zien dat het zal werken - althans met sommige soorten berekeningen: factoring of het doorzoeken van een database versnelt het proces enorm. Maar hoeveel precies?
Misschien is de veiligste manier om kwantumcomputing te beschrijven, te zeggen dat de kwantummechanica op de een of andere manier ‘mogelijkheden’ voor berekeningen creëert die niet beschikbaar zijn voor klassieke apparaten. Zoals natuurkundige Daniel Gottesman van het Perimeter Instituut voor Theoretische Fysica (Perimeter Instituut) in Waterloo opmerkte: "Als er voldoende kwantummechanica beschikbaar is, dan versnelt het proces in zekere zin, en zo niet, dan niet."
Hoewel sommige punten nog duidelijk zijn. Quantum computing vereist dat alle qubits coherent zijn, wat buitengewoon moeilijk te implementeren is. De interactie van het systeem van coherente qubits met de omgeving creëert kanalen waardoor coherentie snel "lekt". Dit proces wordt decoherentie genoemd. Wetenschappers die van plan zijn een kwantumcomputer te bouwen, moeten decoherentie voorkomen. Nu weten ze haar maar een fractie van een seconde tegen te houden. De situatie wordt gecompliceerder wanneer het aantal qubits en daarmee het vermogen om met de omgeving te communiceren toeneemt. Dat is de reden waarom, hoewel het idee van kwantumcomputers voor het eerst werd voorgesteld door Richard Feynman in 1982 en de theorie werd ontwikkeld in het begin van de jaren negentig, er nu pas apparaten zijn ontwikkeld die in staat zijn om echte berekeningen uit te voeren.
Kwantumfouten
Er is nog een tweede belangrijke reden waarom het bouwen van een kwantumcomputer zo moeilijk is. Net als elk ander proces ter wereld maakt het geluid. Willekeurige fluctuaties, die bijvoorbeeld ontstaan door de temperatuur van de qubits of door de eigenaardigheden van fundamentele kwantummechanische processen, kunnen de richting of toestand van de qubit veranderen, wat tot onnauwkeurige berekeningen leidt. Een dergelijke dreiging bestaat bij het werken met klassieke computers, maar het is vrij eenvoudig op te lossen. U hoeft slechts twee of meer back-ups van elk bit te maken, zodat een per ongeluk omgedraaid bit niet wordt geteld.
Wetenschappers die werken aan het maken van een kwantumcomputer hebben verschillende manieren ontwikkeld om het probleem op te lossen, maar alle strategieën leiden tot te veel extra rekenkosten, aangezien alle rekenkracht wordt besteed aan het corrigeren van fouten en niet aan het uitvoeren van de gegeven algoritmen. "Het huidige foutenpercentage beperkt aanzienlijk de tijd die een berekening kan duren", legt Andrew Childs, mededirecteur van het Joint Center for Quantum Information and Computational Sciences aan de Universiteit van Maryland, uit. "We moeten de resultaten aanzienlijk verbeteren als we iets interessants willen creëren."
Veel onderzoek in fundamentele kwantumcomputers richt zich op foutcorrectietechnieken. Een deel van de complexiteit van het probleem komt voort uit een andere sleuteleigenschap van kwantumsystemen: superposities kunnen alleen worden gehandhaafd zolang je de waarde van een qubit niet meet. De meting vernietigt de superpositie en leidt tot een bepaalde waarde: 1 of 0. Hoe weet je of er een fout is opgetreden in de werking van een qubit als je niet weet in welke staat deze zich bevond?
Een slim schema stelt voor om indirecte berekening te gebruiken door een qubit te combineren met een tweede hulpqubit. De laatste is niet betrokken bij de berekening, dus de meting heeft geen invloed op de status van de hoofdqubit. Maar het is nogal moeilijk om het te implementeren. Deze oplossing betekent dat er veel fysieke qubits nodig zijn om een echte "logische qubit" te creëren die immuun is voor fouten.
Hoeveel? Kwantumtheoreticus Alan Aspuru-Guzik van Harvard University gelooft dat er ongeveer tienduizend fysieke qubits nodig zijn om één logische qubit te creëren, wat momenteel niet mogelijk is. Volgens hem, als alles goed gaat, zal dit aantal afnemen tot enkele duizenden of zelfs honderden. Aisert is niet zo pessimistisch en gelooft dat ongeveer achthonderd fysieke qubits voldoende zullen zijn, maar geeft toe dat zelfs in deze situatie "de extra kosten van rekenkracht nog steeds groot zullen zijn". U moet een manier vinden om met fouten om te gaan.
Er is een alternatief voor het oplossen van problemen. Ze kunnen worden vermeden of voorkomen door zogenaamde foutbeperking. Onderzoekers van IBM ontwerpen circuits om de waarschijnlijkheid van een fout wiskundig te berekenen, en nemen het resultaat als nulruis.
Sommige onderzoekers denken dat het probleem van foutcorrectie onopgelost zal blijven en dat kwantumcomputers hun voorspelde hoogte niet zullen bereiken. "Het maken van kwantumfoutcorrectiecodes is veel moeilijker dan het aantonen van kwantumsuperioriteit", legt de wiskundige Gil Kalai van de Hebreeuwse Universiteit in Israël uit. Hij voegt er ook aan toe dat "apparaten die fouten corrigeren erg primitief zijn in hun berekeningen, en superioriteit kan niet op primitiviteit worden gebaseerd". Met andere woorden, kwantumcomputers zullen niet beter presteren dan klassieke computers als fouten niet worden geëlimineerd.
Andere wetenschappers denken dat het probleem uiteindelijk zal worden opgelost. Een van hen is Jay Gambetta, een kwantumcomputerwetenschapper bij het IBM Center for Quantum Computing. Thomas J. Watson. "Onze recente experimenten hebben de basiselementen van foutcorrectie in kleine apparaten aangetoond, wat op zijn beurt de weg baant voor grotere apparaten die in aanwezigheid van ruis betrouwbaar kwantuminformatie gedurende langere tijd kunnen opslaan", zegt hij. Gambetta geeft echter ook toe dat, zelfs met de huidige stand van zaken, "er nog een lange weg te gaan is naar het creëren van een universele, foutbestendige kwantumcomputer met behulp van logische qubits." Dankzij dergelijk onderzoek is Childs optimistisch. "Ik weet zeker dat we een demonstratie zullen zien van nog meer succesvolle experimenten [bugfixing], maarhet zal waarschijnlijk lang duren voordat we kwantumcomputers gaan gebruiken voor echt computergebruik."
Leven met fouten
In de nabije toekomst zullen kwantumcomputers defect raken. De vraag rijst: hoe ermee te leven? Wetenschappers van IBM zeggen dat het gebied van "approximate quantum computing" -onderzoek zich in de nabije toekomst zal concentreren op het vinden van manieren om zich aan te passen aan ruis.
Dit vereist de creatie van dergelijke algoritmen die het juiste resultaat opleveren, waarbij fouten worden genegeerd. Het proces kan worden vergeleken met het tellen van verkiezingsresultaten, waarbij geen rekening wordt gehouden met ongeldige stembiljetten. "Zelfs als het een aantal fouten maakt, zou een voldoende grote kwantumberekening van hoge kwaliteit efficiënter moeten zijn dan [klassiek]", zegt Gambetta.
Een van de recentere fouttolerante toepassingen van de technologie lijkt voor wetenschappers van grotere waarde te zijn dan voor de wereld als geheel: het modelleren van materialen op atomair niveau. (In feite was dit de motivatie die Feynman ertoe bracht om met het idee van kwantumcomputers te komen.) De vergelijkingen van de kwantummechanica beschrijven hoe stabiliteit of chemische reactiviteit wordt berekend (bijvoorbeeld in medicijnmoleculen). Maar deze vergelijkingen kunnen niet worden opgelost zonder veel vereenvoudigingen te gebruiken.
Volgens Childs ligt het kwantumgedrag van elektronen en atomen echter 'relatief dicht bij het natuurlijke gedrag van een kwantumcomputer'. Dit betekent dat een nauwkeurig computermodel van het molecuul kan worden gebouwd. "Veel leden van de wetenschappelijke gemeenschap, waaronder ikzelf, geloven dat de eerste succesvolle toepassing van een kwantumcomputer zal worden geassocieerd met kwantumchemie en materiaalkunde", zegt Aspuru-Guzik: hij was een van de eersten die kwantumcomputers in deze richting begon te duwen.
Kwantummodellering is zelfs nuttig gebleken op de kleinste kwantumcomputers die momenteel tot onze beschikking staan. Een team van onderzoekers, waartoe ook Aspuru-Guzik behoort, ontwikkelde een algoritme dat ze de "Variationele methode voor het oplossen van problemen in de kwantummechanica" (hierna - VMR) noemden. Met dit algoritme kun je de minst energieverbruikende toestand van een molecuul vinden, zelfs in luidruchtige qubits. Op dit moment kan het alleen zeer kleine moleculen met weinig elektronen aan. Klassieke computers doen deze taak goed. Maar de kracht van kwantum groeit constant, zoals Gambetta en collega's afgelopen september toonden toen ze een apparaat van zes kbit gebruikten om de elektronische structuur van moleculen zoals lithiumhydride en berylliumhydride te berekenen. Het werk was "een belangrijke doorbraak voor de kwantumwetenschappen"zoals de chemisch fysicus Markus Reicher van de Zwitserse Hogere Technische School van Zürich het uitdrukte. "Het gebruik van BMP om kleine moleculen te modelleren, is een goed voorbeeld van hoe heuristische algoritmen op korte termijn kunnen worden toegepast", zegt Gambetta.
Maar volgens Aspuru-Guzik zijn er logische qubits nodig die in staat zijn om fouten te corrigeren, zelfs voordat kwantumcomputers de klassieke inhalen. "Ik kan niet wachten tot het corrigeren van fouten in kwantumcomputers werkelijkheid wordt," merkte hij op.
"Als we meer dan tweehonderd qubits hadden, zouden we echt innovatieve dingen kunnen doen", voegde Reicher toe. "En met 5.000 qubits kan een kwantumcomputer een grote impact hebben op de wetenschap."
Wat is uw volume?
Deze doelen zijn ongelooflijk moeilijk te bereiken. Ondanks alle moeilijkheden, kwantumcomputers van vijf-qubit naar 50-bit in slechts een jaar - dit feit geeft hoop. Hang echter niet te veel aan deze cijfers, want ze vertellen maar een klein deel van het verhaal. Nu is het niet hoeveel qubits je hebt belangrijker, maar hoe goed ze werken en hoe efficiënt de algoritmen zijn die je hebt ontwikkeld.
Elke kwantumberekening eindigt met decoherentie, waardoor de qubits worden geschud. De decoherentietijd voor een groep qubits is doorgaans enkele microseconden. Het aantal logische bewerkingen dat in zo'n korte tijd kan worden uitgevoerd, is afhankelijk van de schakelsnelheid van de kwantumpoort. Als de snelheid te laag is, maakt het niet uit hoeveel qubits je tot je beschikking hebt. Het aantal bewerkingen dat nodig is voor een bepaalde berekening wordt berekeningsdiepte genoemd: lage-diepte-algoritmen zijn efficiënter dan diepe algoritmen. Het is echter niet zeker of ze bruikbaar zijn bij berekeningen.
Bovendien zijn niet alle qubits even luidruchtig. Het is theoretisch mogelijk om ruisarme qubits te maken van materialen die zich in de zogenaamde "topologische elektronische toestand" bevinden: als deeltjes in deze toestand worden gebruikt om binaire informatie te coderen, wordt deze beschermd tegen willekeurige ruis. In een poging deeltjes in een topologische toestand te vinden, bestuderen onderzoekers van Microsoft voornamelijk exotische kwantummaterialen. Er is echter geen garantie dat hun onderzoek succesvol zal zijn.
Om de kracht van kwantumcomputers op een bepaald apparaat aan te duiden, hebben onderzoekers bij IBM de term 'kwantumvolume' bedacht. Dit is een getal dat alle belangrijke factoren verenigt: de diepte van het algoritme, het aantal en de connectiviteit van qubits, evenals andere indicatoren van de kwaliteit van kwantumpoorten (bijvoorbeeld ruis). In het algemeen kenmerkt dit "kwantumvolume" de kracht van kwantumcomputers. Volgens Gambetta is het nu nodig om kwantumcomputerapparatuur te ontwikkelen die het beschikbare kwantumvolume vergroot.
Dit is een van de redenen waarom de geroemde kwantum-suprematie een nogal vaag idee is. Het idee dat een kwantumcomputer van 50 qubit beter presteert dan moderne supercomputers klinkt aantrekkelijk, maar er blijven nog veel onopgeloste vragen. Welke problemen lost een kwantumcomputer precies op dan supercomputers? Hoe kan men bepalen of een kwantumcomputer het juiste antwoord heeft ontvangen als het niet kan worden geverifieerd met een klassiek apparaat? Wat als een klassieke computer efficiënter is dan een kwantumcomputer als er een beter algoritme wordt gevonden?
Quantum supremacy is dus een concept dat voorzichtigheid vereist. Sommige onderzoekers praten liever over het "kwantumvoordeel", over een sprong in de ontwikkeling van kwantumtechnologieën, dan over de uiteindelijke overwinning van kwantumcomputers op gewone computers. Bovendien probeert de meerderheid het woord "superioriteit" niet te gebruiken, aangezien het een negatieve politieke en racistische connotatie bevat.
Ongeacht de naam, als wetenschappers kunnen aantonen dat kwantumcomputers taken kunnen uitvoeren die klassieke apparaten niet kunnen, dan zal dit een buitengewoon belangrijk psychologisch moment voor dit veld zijn. “De demonstratie van een onmiskenbaar kwantumvoordeel zal de geschiedenis ingaan. Dit zal bewijzen dat kwantumcomputers onze technologische mogelijkheden echt kunnen uitbreiden”, zegt Aizert.
Misschien zal dit eerder een symbolische gebeurtenis zijn dan een radicale verandering op het gebied van computers. Dit is echter de moeite waard om op te letten. Als kwantumcomputers beter presteren dan conventionele computers, zal dat niet zijn omdat IBM en Google ze plotseling op de markt brengen. Om kwantumoverheersing te bereiken, moet u een ingewikkeld systeem van interactie tussen ontwikkelaars en gebruikers opzetten. En de laatste moet er vast van overtuigd zijn dat de nieuwigheid het proberen waard is. Bij het nastreven van deze samenwerking proberen IBM en Google gebruikers zo snel mogelijk te voorzien van hun ontwikkelingen. Eerder bood IBM alle aanmeldingen voor de site toegang tot zijn 16-qubit IBM Q-computer, nu heeft het bedrijf een 20-qubit-versie ontwikkeld voor zakelijke klanten, waaronder JP Morgan Chase, Daimler, Honda, Samsung en Oxford University. Een dergelijke samenwerking helpt klanten niet alleen iets nuttigs en interessants te vinden, maar creëert ook een kwantumgeletterde gemeenschap van programmeurs die nieuwe functies ontwikkelen en problemen oplossen die niet binnen het raamwerk van één bedrijf kunnen worden opgelost.
"Om het gebied van kwantumcomputers actief te ontwikkelen, moet je mensen de kans geven om kwantumcomputers te gebruiken en te bestuderen", zegt Gambetta. "De hele wetenschappelijke en industriële wereld moet zich nu concentreren op één taak: de voorbereiding op het tijdperk van kwantumcomputers."
Projectvertaling Nieuw
Philip Ball
