In 2019 kondigde Google aan dat hun kwantumchip "Sycamore" voor het eerst een taak sneller had opgelost dan een klassieke computer. Chinese onderzoekers hebben nu het probleem gekraakt zonder quanta op een normale computer.
De beloften van de technologie zijn ongebroken
De belofte van de technologie gaat in elk geval onverminderd door. Overal ter wereld ontstaan ecosystemen voor onderzoek naar kwantumcomputers. Start-ups schieten als paddenstoelen uit de grond, en bedrijven als Google en IBM overtreffen elkaar bij het aansluiten van meer qubits op een chip. Alleen de oplossing voor een praktisch "probleem" moet nog gevonden worden.
Omdat qubits, in tegenstelling tot de bits van een gewone computer, niet alleen de toestanden 0 en 1 kunnen aannemen, maar ook in een superpositie van deze toestanden kunnen blijven, is met de 53 qubits van de Sycamore-chip een parallelle representatie van 253 toestanden mogelijk.
«Das Google-Experiment hat getan, was es tun sollte, nämlich dieses Rennen zu starten»
Wie uiteindelijk zal winnen en een echte universele kwantumcomputer zal ontwikkelen, valt daarentegen nog te bezien.
Spectrum van de wetenschap
Wij zijn partners van Spektrum der Wissenschaft en willen degelijke informatie voor jou toegankelijker maken. Volg Spektrum der Wissenschaft als je de artikelen leuk vindt
.
In 2019 opende Google de race om de kwantumcomputer. Voor het eerst, zo kondigde het Google Quantum AI Lab team aan in Nature, had een kwantumchip in 200 seconden een specifieke rekentaak opgelost waar 's werelds beste supercomputer 10.000 jaar over zou doen. Kranten over de hele wereld kopten "Google hangt supercomputer op" en "Bewijs van kwantum superioriteit". "Spektrum" vroeg ook, "Het Spoetnik-moment van de kwantumfysica?".
Nu hebben Chinese wetenschappers dezelfde berekening in een paar uur uitgevoerd met normale processoren. Een echte supercomputer, schrijven ze in een artikel dat al beschikbaar is op de preprint server ArXiv en nu verschijnt in Physical Review Letters, zou de taak zelfs in een paar seconden kunnen oplossen, en daarmee de quantumchip "Sycamore" van Google ronduit overtreffen. Quantum superioriteit, vaarwel?
Dit nieuwe algoritme haalt in ieder geval wat van de glans van Google's claim af, vertelt Greg Kuperberg, een wiskundige aan de Universiteit van Californië told "Science": "Het is toch minder spannend om 300 stappen van de top verwijderd te zijn dan om daadwerkelijk de top te bereiken." Onderzoekers van IBM hadden dan de bewering dat een supercomputer er 10 000 jaar over doet om te rekenen in twijfel getrokken. De collega's hadden de capaciteiten van de "Summit" supercomputer van Oak Ridge National Laboratories niet goed benut bij het controleren van hun berekening, schreven ze. De auteurs van de paper zijn echter ook directe concurrenten van Google-medewerkers.
Omdat de taak die Sycamore in 2019 oploste ook ontworpen was om extreem moeilijk te zijn voor een conventionele computer, maar zo gemakkelijk mogelijk voor een kwantumcomputer. Eenvoudig gezegd de test bestond uit een volkomen nutteloze berekening voor complexe willekeurige getallen. De Google-onderzoekers lieten een circuit van gekoppelde qubits, het kwantummechanische equivalent van klassieke bits, vele willekeurig gekozen rekenkundige bewerkingen uitvoeren, herhaalden de reeks miljoenen keren en registreerden de resultaten. Ter vergelijking werd het geheel gesimuleerd op een conventionele supercomputer.
Aannemende dat alle qubits aanvankelijk op 0 waren gezet, lieten de Google-onderzoekers de kwantumchip een paar miljoen keer een willekeurige reeks uitspuwen, waarbij hij telkens 20 willekeurige rekenoperaties uitvoerde. Daarna lezen ze de toestand van de qubits uit. Grofweg gezegd klotsten kwantumgolven, die aanvankelijk alle mogelijke uitkomsten vertegenwoordigen, heen en weer tussen de qubits. De interacties tussen de qubits creëerden interferentie die sommige uitkomsten versterkte en andere teniet deed. Sommige uitkomsten zijn daarom waarschijnlijker dan andere. Hoe waarschijnlijk een enkele getallenreeks is, kan alleen gezegd worden na ontelbare keren draaien. Uiteindelijk ontstond een karakteristieke kansverdeling.
Klassieke computers die het circuit simuleren moeten nauwgezet elke denkbare volgorde van rekenstappen testen. Naarmate het aantal qubits toeneemt, wordt de inspanning die daarvoor nodig is onmeetbaar. De theoretisch voorspelde limiet is ongeveer 48 qubits. Voor een kwantumcomputer daarentegen blijft de rekentijd beheersbaar omdat hij - als hij eenmaal de rekenbewerkingen heeft ondergaan - praktisch met één druk op de knop een enkel willekeurig resultaat kan uitvoeren.
De Chinese onderzoekers onder leiding van theoretisch natuurkundige Pan Zhang hebben de taak van 2019 nu voorgesteld als een groot driedimensionaal netwerk van zogenaamde tensoren. Dit netwerk bestaat uit 20 lagen - één voor elke rekenoperatie die Sycamore op dat moment doorliep. En elke laag bestaat uit 53 punten - één voor elk van de 53 qubits. Het uitvoeren van de simulatie was dan in wezen beperkt tot het vermenigvuldigen van alle tensoren. De berekening duurde 15 uur op 512 GPU's en leverde daadwerkelijk de verwachte kansverdeling op. Op een supercomputer, schrijven Zhang en zijn collega's, zou de berekening zelfs slechts enkele tientallen seconden duren - tien miljard keer sneller dan het Google-team in 2019 had geschat.
.
Het was te verwachten dat ook het onderzoek naar klassieke computers en het zoeken naar betere algoritmen niet zou stoppen. Het komt er nu op aan eindelijk praktische toepassingen te vinden om het kwantumvoordeel aan te tonen. Of zoals Dominik Hangleiter, een kwantumfysicus aan de Universiteit van Maryland, vertelde aan Science: "Het Google-experiment deed wat het moest doen, namelijk deze race starten."
