Google onthult blauwdruk voor Quantum Supremacy

De grote belofte van kwantumcomputing is de mogelijkheid om berekeningen uit te voeren met een verbijsterende complexiteit die de mogelijkheden van conventionele computers ver te boven gaan. Natuurkundigen weten al lang dat een kwantumcomputer met slechts 50 qubits zelfs de krachtigste supercomputers ter wereld zou kunnen overtreffen.

Maar het overschrijden van de grenzen van conventioneel computergebruik - het bereiken van kwantumsuprematie, zoals natuurkundigen het noemen - bleek moeilijker dan iedereen had verwacht. Kwantumtoestanden zijn delicate objecten - nies en ze verdwijnen. Hierdoor zijn natuurkundigen vastgelopen met de praktische uitdaging om kwantumcomputers en hun kwantumverwerkingsmachines te isoleren van de buitenwereld. Als gevolg hiervan lijkt kwantumsuprematie zo ver weg als altijd.

Maar er kan een andere manier zijn om kwantumsuprematie aan te tonen waarvoor geen algemene kwantumcomputer nodig is die verschillende kwantumalgoritmen kan uitvoeren. In plaats daarvan zijn natuurkundigen begonnen te spelen met kwantumsystemen die maar één ding kunnen doen. Als ze kunnen aantonen dat dit ene ding het vermogen van een conventionele computer te boven gaat, dan zullen ze voor het eerst de kwantumsuprematie hebben aangetoond. Maar hoe dat precies kan, is verre van duidelijk.

Vandaag zeggen Charles Neill van de University of California Santa Barbara en Pedram Roushan van Google dat ze weten hoe quantum suprematie kan worden bereikt, en hebben ze voor het eerst met succes een proof-of-principle-versie van de machine gedemonstreerd. Het werk werpt het vooruitzicht op dat de eerste demonstratie van kwantumsuprematie slechts enkele maanden zou kunnen duren.

Eerst wat achtergrond. Het grote voordeel van qubits ten opzichte van gewone bits is dat ze in een superpositie van toestanden kunnen bestaan. Dus terwijl een gewone bit een 1 of een 0 kan zijn, kan een qubit tegelijkertijd zowel een 1 als een 0 zijn.

Dat betekent dat twee qubits tegelijkertijd vier getallen kunnen vertegenwoordigen, drie qubits acht getallen en negen qubits 512 getallen tegelijk. Met andere woorden, hun vermogen neemt exponentieel toe.

Daarom zijn er niet veel qubits nodig om conventionele computers te verslaan. Slechts 50 qubits kunnen 10.000.000.000.000.000 getallen vertegenwoordigen. Een klassieke computer zou een petabyte-schaal geheugen nodig hebben om dat nummer op te slaan.

Dus een manier om kwantumsuprematie te bereiken, is door een systeem te creëren dat 49 qubits kan ondersteunen in een superpositie van toestanden. Dit systeem hoeft geen complexe berekeningen uit te voeren - het moet alleen de volledige ruimte van een superpositie van 49 qubit betrouwbaar kunnen verkennen. Het doel van Neill en Roushan is dus om een ​​superpositie van 49 qubit te creëren.

Dat is makkelijker gezegd dan gedaan. Maar het werk dat ze vandaag aankondigen is een proof-of-principle demonstratie.

Hun aanpak is rechttoe rechtaan. Qubits zijn kwantumobjecten die tegelijkertijd in twee toestanden kunnen bestaan, en er zijn veel manieren om ze te maken. Zo kunnen fotonen zowel verticaal als horizontaal tegelijk worden gepolariseerd, kunnen atoomkernen met hun as tegelijkertijd omhoog en omlaag draaien, kunnen elektronen zich langs twee paden tegelijk voortbewegen. Met al deze systemen experimenteren natuurkundigen voor quantum computing.

Neill en Roushan hebben echter een andere route gekozen. Hun kwantumsysteem is een supergeleidende qubit. Dit is in wezen een lus van metaal afgekoeld tot lage temperatuur. Stel een stroom in die door deze lus vloeit en deze zal voor altijd vloeien - een kwantumfenomeen dat bekend staat als supergeleiding.

Maar deze kwantumaard leidt tot een handige truc: de stroom kan tegelijkertijd in de ene richting en in de andere richting stromen. En hierdoor kan het fungeren als een qubit die tegelijkertijd zowel een 0 als een 1 kan vertegenwoordigen.

Het grote voordeel van supergeleidende qubits is dat ze relatief eenvoudig te controleren en te meten zijn. Ze kunnen ook aan elkaar worden gekoppeld als er meerdere loops naast elkaar op een chip zitten. Dit koppelen van buren is moeilijker en vereist een andere truc.

De stroom van stroom in de ene of de andere richting is slechts een configuratie met een laag energieverbruik. Meer energie erin steken en andere toestanden zijn ook mogelijk. Het zijn deze hogere energietoestanden die met elkaar kunnen interageren, waardoor grotere superposities ontstaan. Op deze manier kunnen aangrenzende lussen dezelfde, veel complexere toestand delen.

Het proof-of-principle-experiment dat Neill en Roushan en co hebben uitgevoerd, is om een ​​chip te maken met negen aangrenzende lussen en aan te tonen dat de supergeleidende qubits die ze ondersteunen 512 getallen tegelijk kunnen vertegenwoordigen.

Dat is lang niet het aantal qubits dat nodig is voor quantum suprematie, maar het experiment biedt bemoedigende aanwijzingen dat dit mogelijk zal zijn.

De grote angst onder natuurkundigen is dat het niet alleen de aantallen zijn, maar ook de fouten die exponentieel toenemen in deze kwantumsystemen. Als de fouten te snel toenemen, zullen ze het systeem overspoelen, waardoor quantum suprematie onmogelijk wordt.

Het belangrijkste resultaat van dit experiment is om aan te tonen dat de fouten niet snel opschalen in deze supergeleidende chips. In plaats daarvan toonde het team aan dat de fouten langzaam toenemen op een manier die de zinvolle superpositie van maximaal 60 qubits mogelijk zou maken. Deze resultaten leveren veelbelovend bewijs dat quantum suprematie mogelijk is met bestaande technologie, aldus de onderzoekers.

Dat is interessant werk. Het suggereert duidelijk dat quantum suprematie mogelijk moet zijn met een chip die 50 supergeleidende lussen bevat in plaats van slechts negen. Het maken van zo'n chip zou eenvoudig moeten zijn - het is inderdaad moeilijk voor te stellen dat het team er nu geen smeedt.

Maar er is een belangrijk voorbehoud. Een chip van 50 qubit is alleen mogelijk als de fouten blijven opschalen zoals het team heeft laten zien. En dat roept een belangrijke vraag op. Het team heeft laten zien hoe fouten schalen naarmate het aantal qubits toeneemt van vijf naar negen. Maar zullen de fouten op dezelfde manier schalen als de qubits toenemen van negen naar 50?

Zo niet, dan is quantum suprematie nog ver weg. Maar als ze dat doen, hoopt dit team de komende maanden de kwantumsuprematie te claimen.

Dus dat is een vraag die Neill, Roushan en co nu hard zullen werken om te beantwoorden. We kijken ernaar uit om hun resultaten te rapporteren.

Referentie: arxiv.org/abs/1709.06678 : Een blauwdruk voor het demonstreren van Quantum Supremacy met supergeleidende Qubits

zich verstoppen