Fysici in China betwisten het ‘kwantumvoordeel’ van Google.

Op fotonen gebaseerde kwantumcomputer doet een berekening die gewone computers misschien nooit zouden kunnen doen.

Deze fotonische computer voerde in 200 seconden een berekening uit die op een gewone supercomputer 2,5 miljard jaar zou duren. Krediet: Hansen Zhong

Een team in China beweert de eerste definitieve demonstratie van ‘kwantumvoordeel’ te hebben gedaan – door gebruik te maken van de contra-intuïtieve werking van de kwantummechanica om berekeningen uit te voeren die onbetaalbaar traag zouden zijn op klassieke computers.

Ze hebben laserlichtstralen gebruikt om een ​​berekening uit te voeren waarvan wiskundig bewezen was dat deze praktisch onmogelijk was op normale computers. Het team bereikte binnen een paar minuten wat de helft van de leeftijd van de aarde zou kosten op de beste bestaande supercomputers. In tegenstelling tot Google’s eerste demonstratie van een kwantumvoordeel , vorig jaar uitgevoerd, is hun versie vrijwel onaantastbaar voor welke klassieke computer dan ook. De resultaten verschenen in Science op 3 december 1 .

“We hebben aangetoond dat we fotonen, de fundamentele eenheid van licht, kunnen gebruiken om kwantumcomputerkracht te demonstreren die veel verder gaat dan de klassieke tegenhanger”, zegt Jian-Wei Pan van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China in Hefei. Hij voegt eraan toe dat de berekening die ze hebben uitgevoerd – het boson-sampling-probleem genoemd – niet alleen een handig hulpmiddel is om kwantumvoordeel aan te tonen, maar ook potentiële praktische toepassingen heeft in de grafentheorie, kwantumchemie en machine learning.

“Dit is zeker een hoogstandje-experiment, en een belangrijke mijlpaal”, zegt natuurkundige Ian Walmsley van Imperial College London.

Kwantumvoordeel uitgedaagd

Teams in zowel academische als bedrijfslaboratoria hebben gestreden om kwantumvoordeel aan te tonen (een term die nu grotendeels de eerdere ‘kwantumsuprematie’ heeft vervangen).

Vorig jaar kondigden onderzoekers van het kwantumcomputinglaboratorium van Google in Santa Barbara, Californië, de allereerste demonstratie van kwantumvoordeel aan. Ze gebruikten hun ultramoderne Sycamore-apparaat, dat 53 kwantumbits (qubits) heeft gemaakt van supergeleidende circuits die op ultrakoude temperaturen worden gehouden 2 .

Maar sommige quantum onderzoekers betwist de vordering, op grond van het feit dat een beter klassieke algoritme dat de quantum men zou overtreffen zou kunnen bestaan 3 . En onderzoekers van IBM beweerden dat hun klassieke supercomputers in principe al bestaande algoritmen konden draaien om dezelfde berekeningen in 2,5 dagen uit te voeren.

Om kwantumvoordeel overtuigend aan te tonen, zou het onwaarschijnlijk moeten zijn dat er ooit een significant snellere klassieke methode zou kunnen worden gevonden voor de taak die wordt getest.

Het Hefei-team, geleid door Pan en Chao-Yang Lu , koos een ander probleem voor de demonstratie, genaamd boson-sampling. Het werd in 2011 bedacht door twee computerwetenschappers, Scott Aaronson en Alex Arkhipov 4 , en vervolgens aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Het omvat het berekenen van de kansverdeling van veel bosonen – een categorie van fundamentele deeltjes die fotonen omvat – waarvan de kwantumgolven met elkaar interfereren op een manier die in wezen de positie van de deeltjes willekeurig maakt. De kans om een ​​boson op een bepaalde positie te detecteren, kan in veel onbekenden worden berekend uit een vergelijking.

200 seconden

Maar de berekening is in dit geval een ‘# P-hard probleem’, wat nog moeilijker is dan notoir lastige NP-harde problemen, waarvoor het aantal oplossingen exponentieel toeneemt met het aantal variabelen. Voor vele tientallen bosonen lieten Aaronson en Arkhipov zien dat er geen klassieke kortere weg is voor de onmogelijk lange berekening.

Een kwantumcomputer kan de brute-krachtberekening echter omzeilen door het kwantumproces direct te simuleren – waardoor bosonen kunnen interfereren en de resulterende verdeling kan bemonsteren. Om dit te doen, kozen Pan en collega’s ervoor om fotonen als hun qubits te gebruiken. Ze voerden de taak uit op een fotonische kwantumcomputer die op kamertemperatuur werkte.

Uitgaande van laserpulsen codeerden de onderzoekers de informatie in de ruimtelijke positie en de polarisatie van bepaalde fotontoestanden – de oriëntatie van de elektromagnetische velden van de fotonen. Deze toestanden werden vervolgens samengebracht om met elkaar te interfereren en de fotonverdeling te genereren die de output vertegenwoordigt. Het team gebruikte fotodetectoren die afzonderlijke fotonen konden registreren om die verdeling te meten, wat in feite codeert voor de berekeningen die zo moeilijk klassiek uit te voeren zijn.

Op deze manier konden Pan en collega’s in 200 seconden oplossingen vinden voor het boson-samplingprobleem. Ze schatten dat dit 2,5 miljard jaar zou duren om te berekenen op de Chinese TaihuLight-supercomputer – een kwantumvoordeel van ongeveer 10 14 .

Praktische problemen

“Dit is de eerste keer dat kwantumvoordeel is aangetoond met behulp van licht of fotonica”, zegt Christian Weedbrook, CEO van de start-up van kwantumcomputers Xanadu in Toronto, Canada, die praktische kwantumcomputers wil bouwen op basis van fotonica.

Walmsley zegt dat deze claim van kwantumvoordeel overtuigend is. “Omdat [het experiment] zeer nauw aansluit bij het oorspronkelijke Aaronson-Arkiphov-schema, is het onwaarschijnlijk dat er een beter klassiek algoritme kan worden gevonden”, zegt hij.

Weedbrook wijst er echter op dat, in tegenstelling tot Google’s Sycamore, het fotonische circuit van het Chinese team nog niet programmeerbaar is, dus op dit moment “kan het niet worden gebruikt voor het oplossen van praktische problemen”.

Maar hij voegt eraan toe dat als het team in staat is om een ​​programmeerbare chip te bouwen die efficiënt genoeg is, er een aantal belangrijke rekenproblemen kunnen worden opgelost. Onder hen voorspellen hoe eiwitten aan elkaar koppelen en hoe moleculen trillen, zegt Lu.

Weedbrook merkt op dat fotonische kwantumcomputers later zijn begonnen dan de andere benaderingen, maar dat het nu “mogelijk de rest kan overslaan”. Hoe dan ook, voegt hij eraan toe: “Het is slechts een kwestie van tijd voordat kwantumcomputers klassieke computers in het stof achterlaten.”

Referenties

  1. 1.Zhong, H.-S. et al. Wetenschaphttps://doi.org/10.1126/science.abe8770 (2020).

Gepubliceerd op: nature.com

Geef een reactie