Dit is wat quantum suprematie wel en niet betekent voor computergebruik

Een Google-kwantumcomputer Google

Google heeft naar verluidt voor het eerst aangetoond dat een kwantumcomputer in staat is een taak uit te voeren die buiten het bereik van zelfs de krachtigste conventionele supercomputer ligt in een praktisch tijdsbestek - een mijlpaal die in de computerwereld bekend staat als kwantumsuprematie. ( Bijwerken : Het bevestigde het nieuws op 23 oktober.)

De onheilspellend klinkende term, die in 2012 werd bedacht door theoretisch natuurkundige John Preskill, roept een beeld op van Darth Vader-achtige machines die het over andere computers hebben. En het nieuws heeft al een aantal bizarre krantenkoppen opgeleverd, zoals een op de Infowars-website die schreeuwde, Google's 'Quantum Supremacy' om alle cryptografie en militaire geheimen breekbaar te maken. Ook politieke figuren zijn in de hysterie verstrikt geraakt: Andrew Yang, een presidentskandidaat, tweette dat Google het bereiken van kwantumcomputing een groot probleem is. Het betekent onder meer dat geen enkele code onkraakbaar is.

Onzin. Dat betekent het helemaal niet. De prestatie van Google is aanzienlijk, maar kwantumcomputers zijn niet plotseling veranderd in computerkolossen die conventionele machines in het stof achterlaten. Evenmin zullen ze in de nabije toekomst de conventionele cryptografie verspillen, hoewel ze op de langere termijn een bedreiging kunnen vormen waar we ons nu op moeten voorbereiden.

Hier is een gids voor wat Google lijkt te hebben bereikt - en een tegengif voor de hype rond quantum suprematie.

Wat weten we over het experiment van Google?

We hebben nog steeds geen bevestiging van Google gekregen over wat het heeft gedaan. De informatie over het experiment komt uit een paper met de titel Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor, dat kort op een NASA-website werd geplaatst voordat het werd verwijderd. Het bestaan ​​ervan werd onthuld in een rapport in de Financial Times - en een kopie van het papier is te vinden hier .

Het experiment is behoorlijk geheimzinnig, maar het vergde veel rekeninspanning. Het team van Google gebruikte een kwantumprocessor met de codenaam Sycamore om te bewijzen dat de cijfers die door een generator voor willekeurige getallen werden uitgepompt inderdaad echt willekeurig waren. Vervolgens berekenden ze hoe lang het Summit, 's werelds krachtigste supercomputer, nodig zou hebben om dezelfde taak uit te voeren. Het verschil was verbluffend: terwijl de kwantummachine het in 200 seconden wegpoetste, schatten de onderzoekers dat de klassieke computer 10.000 jaar nodig zou hebben.

Wanneer de paper formeel wordt gepubliceerd, kunnen andere onderzoekers gaten in de methodologie gaan prikken, maar voorlopig lijkt het erop dat Google een eerste score heeft behaald door te laten zien dat een kwantummachine inderdaad zelfs de krachtigste van de huidige supercomputers kan overtreffen. Er is nu minder twijfel dat kwantumcomputers de toekomst van high-performance computing kunnen zijn, zegt Nick Farina, de CEO van kwantumhardware-startup EeroQ.

Waarom zijn kwantumcomputers zoveel sneller dan klassieke?

In een klassieke computer vertegenwoordigen bits die informatie bevatten ofwel a een of een 0 ; maar kwantumbits of qubits - die de vorm aannemen van subatomaire deeltjes zoals fotonen en elektronen - kunnen een soort combinatie zijn van een en 0 tegelijkertijd een staat die bekend staat als superpositie. In tegenstelling tot bits kunnen qubits elkaar ook beïnvloeden via een fenomeen dat bekend staat als verstrengeling, wat zelfs Einstein verbijsterde, die het spookachtige actie op afstand noemde.

Dankzij deze eigenschappen, die in meer detail worden beschreven in onze uitleg over kwantumcomputing , verhoogt het toevoegen van slechts een paar extra qubits aan een systeem de verwerkingskracht exponentieel. Cruciaal is dat kwantummachines parallel grote hoeveelheden gegevens kunnen verwerken, waardoor ze de klassieke machines die gegevens opeenvolgend verwerken, overtreffen. Dat is de theorie. In de praktijk werken onderzoekers al jaren om onomstotelijk te bewijzen dat een kwantumcomputer iets kan dat zelfs de meest capabele conventionele niet kan. De inspanningen van Google werden geleid door John Martinis, die baanbrekend werk heeft verricht in het gebruik van supergeleidende circuits om qubits te genereren.

Betekent deze versnelling niet dat kwantummachines nu andere computers kunnen inhalen?

Nee. Google heeft een zeer beperkte taak gekozen. Kwantumcomputers hebben nog een lange weg te gaan voordat ze in de meeste gevallen de klassieke kunnen overtreffen - en misschien komen ze daar nooit. Maar onderzoekers met wie ik heb gesproken sinds het artikel online verscheen, zeggen dat het experiment van Google nog steeds belangrijk is, omdat er lange tijd twijfel was dat kwantummachines ooit klassieke computers zouden kunnen overtreffen.

Tot nu toe zijn onderzoeksgroepen erin geslaagd de resultaten van kwantummachines met zo'n 40 qubits op klassieke systemen te reproduceren. De Sycamore-processor van Google, die 53 qubits voor het experiment gebruikte, suggereert dat een dergelijke emulatie zijn limieten heeft bereikt. We gaan een tijdperk in waarin om te onderzoeken wat een kwantumcomputer kan doen, nu een fysieke kwantumcomputer nodig is … Je zult niet meer in staat zijn om op geloofwaardige wijze resultaten te reproduceren op een conventionele emulator, legt Simon Benjamin uit, een kwantumonderzoeker aan de Universiteit van Oxford .

Heeft Andrew Yang niet gelijk dat onze cryptografische verdedigingen nu kapot kunnen gaan?

Nogmaals, nee. Dat is een wilde overdrijving. De Google-paper maakt duidelijk dat, hoewel het team in staat is geweest om kwantumsuprematie aan te tonen in een beperkte steekproeftaak, we nog ver verwijderd zijn van de ontwikkeling van een kwantumcomputer die in staat is om het algoritme van Shor te implementeren, dat in de jaren negentig werd ontwikkeld om kwantummachines te helpen factor massieve getallen. De meest populaire coderingsmethoden van vandaag kunnen alleen worden verbroken door dergelijke getallen te ontbinden - een taak die conventionele machines vele duizenden jaren zou kosten.

Maar deze kwantumkloof mag geen reden tot zelfgenoegzaamheid zijn, omdat zaken als financiële en gezondheidsdossiers die tientallen jaren worden bewaard, uiteindelijk kwetsbaar kunnen worden voor hackers met een machine die een code-busting-algoritme zoals dat van Shor kan uitvoeren. Onderzoekers werken al hard aan nieuwe versleutelingsmethoden die dergelijke aanvallen kunnen weerstaan ​​(zie onze uitleg over post-kwantumcryptografie voor meer details).

Waarom zijn kwantumcomputers niet zo oppermachtig als kwantumsuprematie ze laat klinken?

De belangrijkste reden is dat ze nog steeds veel meer fouten maken dan klassieke. De delicate kwantumtoestand van Qubits duurt slechts fracties van een seconde en kan gemakkelijk worden verstoord door zelfs de geringste vibratie of kleine verandering in temperatuur - verschijnselen die in kwantumtaal ruis worden genoemd. Hierdoor sluipen er fouten in de berekeningen. Qubits hebben ook een Tinder-achtige neiging om met tal van anderen te willen paren. Dergelijke overspraak daartussen kan ook fouten veroorzaken.

Het artikel van Google suggereert dat het een nieuwe manier heeft gevonden om overspraak te verminderen, wat zou kunnen helpen de weg vrij te maken voor betrouwbaardere machines. Maar de kwantumcomputers van vandaag lijken nog steeds op vroege supercomputers wat betreft de hoeveelheid hardware en complexiteit die nodig is om ze te laten werken, en ze kunnen alleen zeer esoterische taken aan. We zijn nog niet eens in een stadium dat gelijkwaardig is aan de ENIAC, IBM's eerste computer voor algemeen gebruik, die in 1945 aan het werk werd gezet.

Dus wat is de volgende kwantummijlpaal om naar te streven?

Het verslaan van conventionele computers bij het oplossen van een reëel probleem - een prestatie die sommige onderzoekers kwantumvoordeel noemen. De hoop is dat de enorme verwerkingskracht van kwantumcomputers zal helpen nieuwe geneesmiddelen en materialen te ontdekken, kunstmatige-intelligentietoepassingen te verbeteren en te leiden tot vooruitgang op andere gebieden, zoals financiële diensten, waar ze kunnen worden toegepast op zaken als risicobeheer.

Als onderzoekers niet snel een kwantumvoordeel in ten minste één van dit soort toepassingen kunnen aantonen, kan de zeepbel van opgeblazen verwachtingen die rond kwantumcomputing oplaait snel barsten.

Toen ik Martini's van Google hier vorig jaar in een interview voor een verhaal naar vroeg, was hij zich duidelijk bewust van het risico. Zodra we kwantumsuprematie bereiken, vertelde hij me, willen we laten zien dat een kwantummachine iets heel nuttigs kan doen. Nu is het tijd voor zijn team en andere onderzoekers om die dringende uitdaging aan te gaan.

zich verstoppen