Quantumcomputers hebben drie vraagstukken opgelost waar gewone computers hun tanden op stukbijten. Dat laat zien hoe belangrijk de machines zijn voor wetenschappelijk onderzoek.
Stap voor stap bewijst de quantumcomputer zijn nut als wetenschappelijk hulpmiddel. De apparaten hebben drie berekeningen uitgevoerd die geen enkele andere machine had kunnen oplossen.
De wetenschap kent talloze uitdagingen die vragen om uitgebreide computerberekeningen – het voorspellen van het gedrag van grote moleculen, bijvoorbeeld. Maar sommige vraagstukken zijn zo complex dat gewone computers ze nooit zullen ontcijferen.
Bij die vraagstukken kunnen quantumcomputers een ‘quantumvoordeel’ hebben: ze kunnen quantumfenomenen inzetten om tot een oplossing te komen. Maar hoe kunnen we er zeker van zijn dat zo’n antwoord, dat maar uit één machine komt, te vertrouwen is?
Onderzoekers van het Amerikaanse computerbedrijf IBM hebben nu drie nieuwe gevallen van een quantumvoordeel beschreven. Ook hebben ze uiteengezet waarom de resultaten van de quantumapparaten betrouwbaar zijn.
Quantummaterialen
Voor twee van de drie vraagstukken waren rekenmodellen nodig die vooral interessant zijn voor materiaalfysici. Het eerste rekenmodel bootste het gedrag na van quantummaterialen die door laserlicht worden beschenen, waarbij in het bijzonder werd gekeken naar een bepaald type magneet. Door een quantumcomputer los te laten op het model, ontdekten de onderzoekers voor het eerst dat sommige eigenschappen van de magneet fluctueren. Eerdere simulaties van de Japanse supercomputer Fugaku en van een computer van het Amerikaanse bedrijf Nvidia slaagden er niet in om dit te bewijzen.
Het tweede raadsel ging over hoe informatie door elkaar wordt gehusseld in heel onregelmatige materialen. Inzichten hierover kunnen de wetenschap helpen achterhalen hoe een katalysator een chemische reactie versnelt, bijvoorbeeld.
De onderzoekers vergeleken de resultaten van de quantumcomputer met die van een vooraanstaande rekenwijze voor gewone computers: een die in het verleden beweringen van een quantumvoordeel heeft ontkracht. Bij een paar stappen van de simulatie kon deze traditionele rekenwijze niet tippen aan de quantumcomputer.
Ruis
Het team maakte voor beide vraagstukken een schatting van hoezeer je de quantumcomputer kunt vertrouwen. Dat deden ze door dezelfde simulatie een aantal keer te herhalen op verschillende quantumcomputers, elk blootgesteld aan een nét andere hoeveelheid ruis. Ze plantten zelfs expres ruis in een deel van de computerberekeningen.
Door alle uitkomsten met elkaar te vergelijken, kon het team achterhalen hoeveel van wat de quantumcomputer uitspuwt betrouwbaar is en hoeveel ervan ruis, zegt quantuminformaticus Abhinav Kandala van IBM.
Quantumcomputers in actie
Het derde en laatste probleem was een steekproefvraagstuk dat zich richt op de output van een groot aantal quantumcircuits met vooraf vastgestelde eigenschappen, zoals de verdeling van de wiskundige acties die ze uitvoeren. Wetenschappers wisten al dat dit soort steekproefproblemen een uitdaging zijn voor gewone computers. En hoewel een quantumcomputer wel een antwoord kon leveren, was het lastig te toetsen of dit antwoord klopte of vertroebeld was door fouten.
Het team ontwikkelde daarom een procedure waarbij ze de berekening eerst finetuneden en dan pas herhaalden. Zo konden ze de precisie van de quantumcomputeroutput in cijfers uitdrukken.
We zien quantumcomputers nu in actie zoals we al een lange tijd voor ogen hadden, stelt Kandala. ‘Ik hoop dat mensen ze als betrouwbare wetenschappelijke instrumenten gaan gebruiken.’
Tijdperk van quantumnut
Deze pogingen om de toepassing van de quantumcomputer op de kaart te zetten, vormen een stap in de goede richting, zegt quantuminformaticus Dominik Hangleiter van het Zwitserse instituut voor technologie (ETH) in Zürich, die niet in het team zat. ‘Al kun je niet echt met data van je eigen experiment een accurate schatting maken van hoe goed je berekeningen waren’, waarschuwt hij.
De aanpak is dus nog niet ideaal, omdat hij niet onafhankelijk is van de eigenaardige eigenschappen van de quantumcomputer. Maar dat is onvermijdelijk voor de relatief kleine, ruisgevoelige quantumcomputers waarover we nu beschikken, zegt Hangleiter.
Naast ontwikkelingen op het verificatiefront is het nodig dat de quantumsimulaties van materialen een update ondergaan. Quantumwetenschapper Emanuele Dalla Torre van de Bar-Ilan-universiteit in Israël zegt dat de magneetsimulatie een wetenschappelijke doorbraak heeft opgeleverd, maar nog niet echt iets zegt over magneten in de echte wereld. ‘Het vraagstuk is een fundamenteel wetenschappelijk probleem. Het heeft nog geen duidelijke praktische toepassing’, zegt hij.
Toch is het team optimistisch dat deze ontwikkelingen een nieuw quantumtijdperk inluiden. ‘We zijn bezig met het vormgeven van gereedschap om de output van quantumcomputers te beoordelen. Zodra die output te vertrouwen is, kunnen we vaststellen op welke manier de machines echt van waarde kunnen zijn’, zegt quantumonderzoeker Jay Gambetta van IBM.
Geef een reactie