Wat is Quantum Supremacy? En waarom is het belangrijk?

Het concept van kwantumsystemen werd voor het eerst voorgesteld door een Russische wiskundige, Yuri Manin, in 1980. Het was echter Richard Feynman die begin jaren tachtig de mogelijkheid van kwantumcomputers bedacht.

Feynmann stelde voor dat kwantumcomputers effectief zouden zijn bij het oplossen van problemen van scheikunde en natuurkunde. De computers van vandaag gebruiken binaire logica om taken uit te voeren, maar als we de regels van de kwantummechanica gebruiken, zullen veel complexe rekentaken haalbaar worden.

In 2012 bedacht een Amerikaanse theoretisch fysicus, John Preskill, de term 'kwantum suprematie' om een ​​systeem te beschrijven dat veel geavanceerder is dan klassieke computers. Het luidt het tijdperk van luidruchtige kwantumtechnologieën op middelhoge schaal in.

In dit overzichtsartikel hebben we uitgelegd en welk verschil zou "quantum suprematie" maken, wat technologiebedrijven tot nu toe hebben bereikt, waarom is het zo'n groot probleem. Laten we beginnen met de basis.

Wat is Quantum Supremacy precies?

Quantum Supremacy is het doel van het bouwen van een kwantumcomputersysteem dat een probleem kan oplossen dat geen enkele klassieke computer in een redelijke tijd kan oplossen.

Dit omvat zowel de engineeringtaak voor het ontwikkelen van een krachtige kwantummachine als de computational-complexity-theoretische taak voor het classificeren van computationele problemen die door die kwantumcomputer kunnen worden opgelost.

Quantum suprematie is een belangrijke stap op weg naar krachtigere en bruikbare berekeningen. Er zijn verschillende voorstellen gedaan om quantum suprematie aan te tonen. De meest opvallende zijn:

• Sampling van de uitvoer van een willekeurig kwantumcircuit
• Gefrustreerde clusterloopproblemen ontworpen door D-Wave
• Voorstel voor boson-bemonstering geïntroduceerd door Aaronson en Arkhipov

Hoe weten we zeker dat kwantumsuprematie is bereikt?

Het verifiëren van quantum suprematie is een van de lastigste taken. Het is niet zoals een nucleaire explosie of een raketlancering, waarbij je gewoon toekijkt en meteen weet of het gelukt is.

Je moet twee dingen nauwkeurig aantonen om quantum suprematie te verifiëren:

1. Het kwantumapparaat voert berekeningen snel uit.
2. Geen enkele klassieke computer zou dezelfde berekening efficiënt kunnen uitvoeren.

Het tweede deel is best ingewikkeld. Het blijkt dat klassieke computers specifieke soorten problemen zeer efficiënt kunnen uitvoeren (beter dan de verwachtingen van wetenschappers). Totdat men heeft bewezen dat een klassieke computer een bepaalde taak onmogelijk effectief kan uitvoeren, bestaat altijd de kans dat er een efficiënter, beter klassiek algoritme bestaat. Bewijzen dat zo'n klassiek algoritme niet bestaat, kan controversieel zijn, en het kan veel tijd kosten.

Lezen: 12 snelste supercomputers ter wereld

De strijd om een ​​kwantumcomputer te maken

Er zijn al enkele jaren werkende kwantumapparaten, maar ze presteren alleen onder bepaalde omstandigheden beter dan klassieke computers. De meeste taken die door deze kwantummachines worden uitgevoerd, zijn niet eens nuttig in het dagelijks leven.

In 2016 ontwikkelde Google een volledig schaalbare kwantumsimulatie van een waterstofmolecuul, met behulp van een 9-qubit kwantumchip. In 2017 produceerde Intel een supergeleidende testchip van 17 qubit voor kwantumcomputing, en IBM verhoogde de lat met een chip van 50 qubit die zijn kwantumstatus 90 microseconden kon behouden.

17-qubit supergeleidende testchip ontwikkeld door Intel

In 2018 onthulde Google een 72-qubit-processor genaamd Bristlecone, en in 2019 lanceerde IBM 's werelds eerste commerciële circuitgebaseerde kwantumcomputer, IBM Q System One.

D-Wave Systems, een goed gefinancierd Canadees kwantumcomputerbedrijf, blijft een uitzondering. In 2015 werd de 2X-kwantumcomputer met meer dan 1000 qubits geïnstalleerd in het laboratorium voor kunstmatige intelligentie van NASA. Het bedrijf heeft systemen geleverd met 2048 qubits. Hun apparaten vertrouwen op een alternatieve techniek die kwantumgloeien wordt genoemd om zeer specifieke problemen op te lossen.

Lezen: 5 Quantum-processors met een nieuw computerparadigma

Grote aankondiging van Google 

Uit het niets, tegen het einde van 2019, kondigden Google-onderzoekers aan dat ze de kwantumsuprematie hadden bereikt. Ze ontwikkelden een 54-qubit-processor genaamd Sycamore die de doelberekening (een willekeurige steekproefberekening) in 200 seconden uitvoerde.

Volgens het onderzoeksteam zou een klassieke supercomputer 10.000 jaar nodig hebben om dezelfde berekeningen uit te voeren. Deze substantiële toename in snelheid (vergeleken met klassieke algoritmen) is een experimentele realisatie van kwantumsuprematie voor deze specifieke taak.

Wat hebben ze gedaan?

Om quantum suprematie aan te tonen, koos Google ervoor om een ​​bepaald probleem op te lossen dat 'random circuit sampling' wordt genoemd. Een eenvoudig voorbeeld van dit probleem is een programma om de worp van een eerlijke dobbelsteen te simuleren.

Het programma zal nauwkeurig werken als het op de juiste manier steekproeven neemt van alle mogelijke uitkomsten. Dit betekent dat het programma elk nummer op de dobbelsteen 1/6e van de tijd moet genereren, aangezien het herhaaldelijk wordt uitgevoerd.

In een echt scenario moet een computer, in plaats van een dobbelsteen te plaatsen, op de juiste manier monsters nemen van alle mogelijke uitgangen van een willekeurig kwantumcircuit. Deze reeks acties wordt uitgevoerd op een aantal qubits. Wanneer qubits door een circuit gaan, raakt de toestand verstrengeld (ook bekend als een kwantumsuperpositie).

Als een circuit bijvoorbeeld werkt op 54 qubits, wordt 54 qubits een superpositie van 2 ⁵⁴ mogelijke toestanden aan het einde van het circuit. Dit betekent de set van 2 ⁵⁴ mogelijkheden valt samen in één reeks van 54 bits. Het is alsof je een dobbelsteen gooit, maar in plaats van 6 mogelijke uitkomsten krijg je 2 ⁵⁴ uitkomsten, en niet alle zijn even waarschijnlijk.

De reeks samples uit dit willekeurige circuit (volgens de juiste verdeling), kunnen efficiënt worden gegenereerd op kwantumcomputers. Er is echter geen klassiek algoritme om deze samples te produceren op hypermoderne supercomputers. Daarom, naarmate het aantal samples toeneemt, worden digitale supercomputers snel overweldigd door de berekeningen.

In dit experiment voerden Google-onderzoekers willekeurige vereenvoudigde circuits uit van 12 tot 53 qubits, waarbij het aantal poortcycli (kwantumlogische poorten) constant werd gehouden. Vervolgens gebruikten ze klassieke simulaties om de prestaties van de kwantumcomputer te controleren en vergeleken met een theoretisch model.

Toen ze eenmaal hadden bevestigd dat het systeem correct werkte, lieten ze een willekeurig hard circuit lopen met 53 qubits en verhoogde poortcycli, totdat ze een punt bereikten waarop klassieke simulatie onwerkbaar werd.

Proces voor het aantonen van kwantumsuprematie | Tegoed:Google 

Het experiment werd uitgevoerd op een volledig programmeerbare 54-qubit-chip, Sycamore. Het bevat een 2D-raster waarin elke qubit is verbonden met 4 andere qubits, waardoor er voldoende connectiviteit is voor qubit-statussen (zodat ze onmiddellijk interageren in de hele processor) en het onhaalbaar maakt om dezelfde berekeningen op klassieke computers uit te voeren.

Om dit prestatieniveau te bereiken, gebruikten ze een nieuw soort bedieningsknop die interacties tussen nabijgelegen qubits kon uitschakelen, waardoor fouten in het multi-connected qubit-systeem aanzienlijk werden verminderd. Ze ontwikkelden ook nieuwe controlekalibraties om qubit-defecten te voorkomen en optimaliseerden het chipontwerp om overspraak te verminderen, wat de prestaties van de quantumchip verder verbeterde.

Heeft Google echt Quantum Supremacy bereikt?

Google's Sycamore-chip wordt koel gehouden in de kwantumcryostaat. Afbeelding tegoed:Eric Lucero/Google 

Hoewel Google beweerde dat het kwantumsuprematie had bereikt en dat een klassieke supercomputer ongeveer 10.000 jaar nodig zou hebben om de equivalente taak uit te voeren, bestreed IBM deze bewering en zei dat een ideale simulatie van dezelfde taak op een klassieke computer in 2,5 dagen kan worden uitgevoerd met ver grotere trouw.

Het experiment van Google moet niet worden gezien als bewijs dat kwantumapparaten 'oppermachtig' zijn ten opzichte van klassieke computers. Het demonstreert echter perfect de vooruitgang in op supergeleidende kwantumcomputers gebaseerde kwantumcomputers, en onthult de allernieuwste gate-getrouwheden op een 53-qubit-systeem.

Krantenkoppen die een variatie van 'kwantum suprematie bereikt' bevatten, zijn opvallend en interessant om te lezen, maar ze misleiden het grote publiek volledig.

Volgens de definitie van de kwantumsuprematie is het doel niet bereikt. En zelfs als iemand het in de nabije toekomst demonstreert, zullen kwantumcomputers nooit ‘opperste’ heersen over klassieke computers. In plaats daarvan zullen kwantumsystemen naast klassieke supercomputers werken, aangezien elk zijn unieke sterke punten en voordelen heeft.

Naamcontroverse

Sommige wetenschappers zijn het niet eens met de term 'kwantum suprematie'. Volgens hun perspectief heeft het woord 'suprematie' ondertonen van geweld, neokolonialisme en racisme door de associatie met 'blanke suprematie'. Ze hebben gesuggereerd dat de alternatieve uitdrukking 'quantum' voordeel' moet in plaats daarvan worden gebruikt.

John Preskill, die met deze uitdrukking op de proppen kwam, verduidelijkte echter dat hij wilde benadrukken dat dit een bevoorrechte tijd in de geschiedenis is waarin informatietechnologieën gebaseerd op kwantumwetten in opkomst zijn. Hij legde ook uit dat 'kwantum suprematie' het beste het punt weergaf dat hij wilde overbrengen. Andere woorden, zoals 'voordeel', missen de kracht van 'suprematie'.

Toepassingen en toekomst

Recente ontwikkelingen in kwantumcomputing hebben een hele nieuwe generatie computerwetenschappers en natuurkundigen geïnspireerd om het aspect van informatietechnologie fundamenteel te veranderen.

Momenteel werken wetenschappers aan fouttolerante kwantummachines die rekenfouten in realtime kunnen corrigeren, waardoor foutloze kwantumberekeningen mogelijk worden. Gezien de huidige stand van de techniek op het gebied van kwantumcomputing, is dit doel nog enkele jaren verwijderd van realisatie.

Techbedrijven investeren honderden miljoenen dollars om zo snel mogelijk fouttolerante kwantumapparaten te ontwikkelen. De grote vraag is echter of kwantummachines fouttolerant moeten zijn voordat ze een nuttige taak kunnen uitvoeren.

Dergelijke machines beloven een verscheidenheid aan waardevolle toepassingen. Quantum computing kan bijvoorbeeld de weersvoorspelling verbeteren, de cyberbeveiliging versterken en helpen bij het ontwerpen van nieuw materiaal voor vliegtuigen en lichtgewicht batterijen van voertuigen. Het zou individuele moleculen nauwkeurig in kaart kunnen brengen, wat op zijn beurt mogelijk kansen zou kunnen bieden voor farmaceutisch onderzoek.

Het zou ook een sterke impact kunnen hebben op de banksector. Quantum computing kan financiële problemen oplossen die verband houden met de optimalisatie van beleggingsstrategieën, waarbij een groot aantal portefeuillecombinaties moet worden geanalyseerd om de best passende criteria te bepalen of om frauduleuze transacties te herkennen.

Lees:22 interessantste feiten over kwantumcomputers

Op dit moment is het moeilijk te voorspellen welke industrie quantum computing de meeste impact zal hebben, omdat het is getest op een zeer beperkt aantal taken. We zullen enkele jaren (of zelfs decennia) geduld moeten hebben voordat we de volledige pracht van het kwantumtijdperk kunnen waarderen.