Quantum Supremacy Uitgelegd: Waarom Het Belangrijk Is Voor De Toekomst Van Computing

Het concept van kwantumsystemen werd voor het eerst voorgesteld door een Russische wiskundige, Yuri Manin, in 1980. Echter, het was Richard Feynman die de mogelijkheid van kwantumcomputers in de vroege jaren 80 bedacht.

Feynman stelde voor dat kwantumcomputers effectief zouden zijn in het oplossen van problemen in chemie en fysica. Vandaag de dag gebruiken computers binaire logica om taken uit te voeren, maar als we de regels van kwantummechanica benutten, zullen veel complexe berekeningstaken haalbaar worden.

In 2012 bedacht de Amerikaanse theoretisch fysicus John Preskill de term "quantum supremacy" om een systeem te beschrijven dat ver gevorderd is ten opzichte van klassieke computers. Het inwent de ruiterige intermediaire-schaal kwantumtechnologieën.

In dit overzichtsartikel leggen we uit wat "quantum supremacy" zou betekenen, wat tech-bedrijven tot nu toe hebben bereikt, en waarom het zo'n grote zaak is. Laten we beginnen met de basis.

Wat Is Quantum Supremacy Precies?

Quantum Supremacy is het doel om een kwantumcomputing-systeem te bouwen dat een probleem kan oplossen dat geen klassieke computer in een redelijke hoeveelheid tijd kan oplossen.

Dit omvat de engineering-taak voor het ontwikkelen van een krachtige kwantummachine alsmede de computationele-complexiteit-theoretische taak voor het classificeren van computationele problemen die door die kwantumcomputer opgelost kunnen worden.

Quantum supremacy is een belangrijke stap op de weg naar krachtigere en nuttigere berekeningen. Verschillende voorstellen zijn gedaan om quantum supremacy te demonstreren. De meest opvallende zijn:

• Sampling van de output van willekeurige kwantumcircuits
• Gefrustreerde cluster-lus problemen ontworpen door D-Wave
• Boson sampling voorstel geïntroduceerd door Aaronson en Arkhipov

Hoe Weten We Zeker Dat Quantum Supremacy Behaald Is?

Het verifiëren van quantum supremacy is een van de lastigste taken. Het is niet zoals een kernontploffing of een raketlancering, waar je kijkt en direct weet of het gelukt is.

Je moet twee dingen nauwkeurig demonstreren om quantum supremacy te verifiëren:

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

Het tweede deel is tamelijk gecompliceerd. Het blijkt dat klassieke computers specifieke typen problemen heel efficiënt kunnen oplossen (beter dan de verwachtingen van wetenschappers). Totdat men bewijst dat een klassieke computer een bepaalde taak niet effectief kan uitvoeren, is er altijd de kans dat een efficiënter, beter klassiek algoritme bestaat. Het bewijzen dat er geen dergelijk klassiek algoritme bestaat, kan controversieel zijn en veel tijd kosten.

De Strijd Om Een Kwantumcomputer Te Bouwen

Er zijn al jaren werkende kwantumapparaten, maar ze overtreffen klassieke computers alleen onder bepaalde voorwaarden. 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 een 9-qubit kwantumchip. In 2017 produceerde Intel een 17-qubit supergeleidende testchip voor kwantumcomputing, en IBM verhogde de lat met een 50-qubit chip die de kwantumtoestand 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 de werelds eerste commerciële circuit-gebaseerde kwantumcomputer, IBM Q System One.

D-Wave Systems, een goed gefinancierd Canadees kwantumcomputing-bedrijf, blijft een uitzondering. In 2015 werd hun 2X kwantumcomputer met meer dan 1000-qubits geïnstalleerd in NASA's kwantum kunstmatige intelligentie lab. Het bedrijf heeft daarna systemen met 2048-qubits verzonden. Hun apparaten berusten op een alternatieve techniek genaamd kwantum annealing om heel specifieke problemen op te lossen.

Google's Grote Aankondiging

Onverwacht, aan het einde van 2019, kondigden Google-onderzoekers aan dat ze quantum supremacy hadden bereikt. Ze ontwikkelden een 54-qubit processor genaamd Sycamore die de doelberekening (een willekeurige sampling berekening) in 200 seconden uitvoerde.

Volgens het onderzoeks team zou een klassieke supercomputer 10.000 jaar nodig hebben om dezelfde berekeningen uit te voeren. Deze substantiële snelheidsvergroting (vergeleken met klassieke algoritmen) is een experimentele realisatie van quantum supremacy voor deze specifieke taak.

Wat Deden Ze?

Om quantum supremacy te demonstreren, koos Google om een specifiek probleem op te lossen genaamd "random circuit sampling." Een simpel voorbeeld van dit probleem is een programma voor het simuleren van de worp van een eerlijke dobbelsteen.

Het programma draait nauwkeurig als het op de juiste manier samplet uit alle mogelijke uitkomsten. Dit betekent dat het programma elk getal op de dobbelsteen 1/6e van de tijd moet genereren als het herhaaldelijk uitgevoerd wordt.

In een echt scenario, in plaats van een dobbelsteen te plaatsen, moet een computer correct samplen uit alle mogelijke outputs van een willekeurige kwantumcircuit. Deze reeks acties wordt uitgevoerd op een groep qubits. Wanneer qubits door een circuit gaan, wordt hun toestand verward (ook wel kwantumsuperpositie genoemd).

Bijvoorbeeld, wanneer een circuit op 54 qubits werkt, zorgt het ervoor dat 54 qubits een superpositie zijn van 2⁵⁴ mogelijke toestanden aan het einde van de circuit. Dit betekent dat de verzameling van 2⁵⁴ mogelijkheden instort tot één string van 54 bits. Het is als een dobbelsteen werpen, maar in plaats van 6 mogelijke uitkomsten, krijg je 2⁵⁴ uitkomsten, en niet allemaal even waarschijnlijk.

De reeks samples van deze willekeurige circuit (volgens de juiste distributie) kan efficiënt gegenereerd worden op kwantumcomputers. Er is echter geen klassiek algoritme voor het produceren van deze samples op state-of-the-art supercomputers. Daarom raken digitale supercomputers naarmate het aantal samples toeneemt snel overweldigd door de berekeningen.

In dit experiment voerden Google-onderzoekers willekeurige vereenvoudigde circuits uit van 12 tot 53 qubits, met constant aantal gate-cycli (kwantumlogische poorten). Ze gebruikten dan klassieke simulaties om de prestaties van de kwantumcomputer te controleren en te vergelijken met een theoretisch model.

Zodra ze bevestigden dat het systeem correct functioneerde, voerden ze willekeurige harde circuits uit met 53 qubits en verhoogden de gate-cycli, tot ze een punt bereikten waar klassieke simulatie onwerkbaar werd.

Proces voor het demonstreren van quantum supremacy | Credit: Google

Het experiment werd uitgevoerd op een volledig programmeerbare 54-qubit chip, Sycamore. Het bevat een 2D-rooster waar elke qubit verbonden is met 4 andere qubits, wat voldoende connectiviteit biedt voor qubit-toestanden (zodat ze direct door de processor interacteren) en het onmogelijk maakt om dezelfde berekeningen op klassieke computers uit te voeren.

Om dit prestatieniveau te bereiken, gebruikten ze een nieuw type control knob dat interacties tussen nabijgelegen qubits kon uitschakelen, wat de fouten in het multi-verbonden qubitsysteem aanzienlijk reduceerde. Ze ontwikkelden ook nieuwe controlcalibraties om qubit-defecten te vermijden en optimaliseerden het chipontwerp om crosstalk te verlagen, wat de prestaties van de kwantumchip verder verbeterde.

Heeft Google Echt Quantum Supremacy Behaald?

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

Hoewel Google claimde dat het quantum supremacy had bereikt en een klassieke supercomputer ongeveer 10.000 jaar zou nodig hebben voor de equivalente taak, betwiste IBM deze claim, met de stelling dat een ideale simulatie van dezelfde taak op een klassieke computer in 2,5 dagen uitgevoerd kan worden met veel grotere getrouwheid.

Google's experiment mag niet gezien worden als bewijs dat kwantumapparaten 'superieur' zijn over klassieke computers. Het demonstreert echter perfect de vooruitgang in supergeleidende kwantumcomputing, onthullend state-of-the-art gate fidelities op een 53-qubit systeem.

Koppen die een variant van 'quantum supremacy achieved' bevatten, zijn oogvanggend en interessant om te lezen, maar leiden het grote publiek volledig in de maling.

Volgens de definitie van quantum supremacy is het doel niet behaald. En zelfs als iemand het in de nabije toekomst demonstreert, zullen kwantumcomputers nooit 'suprem' heersen over klassieke computers. In plaats daarvan zullen kwantumsystemen naast klassieke supercomputers werken, aangezien elk zijn unieke sterktes en voordelen heeft.

Naamgevingscontroversie

Sommige wetenschappers zijn het niet eens met de term 'quantum supremacy'. Vanuit hun perspectief heeft het woord 'supremacy' overtonen van geweld, neokolonialisme en racisme door de associatie met 'white supremacy'. Ze hebben voorgesteld dat de alternatieve term 'quantum advantage' gebruikt zou moeten worden.

Echter, John Preskill, die deze term bedacht, verduidelijkte dat hij wilde benadrukken dat dit een geprivilegieerde tijd in de geschiedenis is waarin informatietechnologieën gebaseerd op kwantumwetten opkomstig zijn. Hij legde ook uit dat "quantum supremacy" het punt dat hij wilde brengen het beste vangt. Andere woorden, zoals 'advantage', missen de kracht van 'supremacy'.

Toepassingen en Toekomst

Recente vooruitgang in kwantumcomputing heeft een heel nieuwe generatie computerwetenschappers en fysici geïnspireerd om het aspect van informatietechnologie fundamenteel te veranderen.

Momenteel werken wetenschappers aan fouttolerante kwantummachines die berekeningsfouten in real-time kunnen corrigeren, wat foutloze kwantumberekeningen mogelijk maakt. Gezien de huidige stand van zaken in kwantumcomputing, is dit doel nog enkele jaren verwijderd van realisatie.

Tech-bedrijven investeren honderden miljoenen dollars om fouttolerante kwantumapparaten zo snel mogelijk te ontwikkelen. Maar de grote vraag is of kwantummachines fouttolerant hoeven te zijn voordat ze een nuttige taak kunnen uitvoeren.

Dergelijke machines beloven een verscheidenheid aan waardevolle toepassingen. Bijvoorbeeld, kwantumcomputing kan weersvoorspelling verbeteren, cybersecurity versterken, en helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen voor vliegtuigen en lichte batterijen voor voertuigen. Het kan individuele moleculen precies in kaart brengen, wat op zijn beurt kansen kan openen voor farmaceutisch onderzoek.

Het kan ook een sterke impact hebben op de bankensector. Kwantumcomputing kan financiële kwesties aanpakken gerelateerd aan beleggingsstrategie-optimalisatie, wat het analyseren van een groot aantal portefeuille-combinaties omvat om de beste criteria te vinden of frauduleuze transacties te herkennen.

Op dit moment is het moeilijk te voorspellen welke industrie kwantumcomputing het meest zal beïnvloeden, omdat het getest is op een zeer beperkte set taken. We moeten geduldig zijn voor enkele jaren (of zelfs decennia) voordat we de volle glorie van het kwantumperk kunnen waarderen.