Onderzoekers van IBM en de University of Chicago hebben een quantumcomputer een berekening laten uitvoeren die met de beste bekende klassieke methoden praktisch onhaalbaar is. De machine had ongeveer vijftien minuten nodig. Minstens zo belangrijk is dat de onderzoekers ook een manier vonden om te controleren hoe betrouwbaar de uitkomst was. Juist dat laatste is al jaren een lastig probleem binnen quantumcomputing.
Het experiment maakt gebruik van 70 logische qubits en behoort daarmee tot de grotere demonstraties van quantumfoutcorrectie tot nu toe. De resultaten verschenen eind juli als wetenschappelijke preprint op arXiv. Het onderzoek is dus nog niet via de gebruikelijke peerreviewprocedure van een wetenschappelijk tijdschrift beoordeeld.
Een probleem met quantumvoordeel
Onderzoekers proberen al jaren overtuigend aan te tonen dat een quantumcomputer een taak kan uitvoeren die buiten het praktische bereik van gewone computers valt. Dat wordt doorgaans quantum advantage genoemd. Het klinkt eenvoudiger dan het is. Een bekende methode om quantumcomputers op de proef te stellen is random circuit sampling. Daarbij voert een quantumprocessor een ingewikkeld circuit uit waarvan de uitkomsten voor een klassieke computer zeer moeilijk na te bootsen zijn.
Daar zit alleen een vervelende paradox in. Hoe ingewikkelder het probleem wordt, hoe moeilijker het ook wordt om achteraf vast te stellen of de quantumcomputer het eigenlijk wel goed heeft gedaan. Een klassieke computer gebruiken om het antwoord te controleren werkt op een gegeven moment niet meer. Als die computer het probleem gemakkelijk kon narekenen, was er immers weinig sprake van quantumvoordeel.
IBM en de University of Chicago kozen daarom voor een andere aanpak. Ze ontwierpen gestructureerde quantumcircuits die volgens de onderzoekers computationeel moeilijk blijven, maar tegelijkertijd informatie opleveren waarmee fouten tijdens de berekening kunnen worden opgespoord. Het resultaat is geen perfecte, onafhankelijke controle van iedere uitkomst, maar wel een manier om statistisch een ondergrens aan de betrouwbaarheid van de berekening te stellen.
70 logische qubits
Daarbij speelt foutcorrectie een hoofdrol. Qubits zijn bijzonder gevoelig voor verstoringen uit hun omgeving en fouten in quantumpoorten. In plaats van rechtstreeks met afzonderlijke fysieke qubits te rekenen, kunnen onderzoekers meerdere fysieke qubits gebruiken om robuustere logische qubits te vormen.
Voor het experiment werden 97 fysieke qubits gebruikt om een berekening met 70 logische qubits te coderen. Het circuit had een diepte van 70 en bevatte 468 zogenoemde T gates. Volgens de onderzoekers werden de effectieve fouten na selectie op foutsignalen met een factor tien onderdrukt. Voor de uiteindelijke quantumtoestand konden ze met 95 procent statistische zekerheid een minimale fidelity van 0,284 vaststellen.
Dat getal lijkt op het eerste gezicht misschien niet indrukwekkend. Een fidelity van 1 zou immers overeenkomen met een perfecte toestand. Bij zo’n complexe quantumberekening is vooral van belang dat onderzoekers een aantoonbare ondergrens kunnen bepalen zonder de volledige berekening klassiek over te hoeven doen.
Vijftien minuten rekenen
De quantumcomputer had ongeveer een kwartier nodig voor de berekening. Volgens het onderzoek lopen de rekentijden van toonaangevende klassieke simulatiemethoden voor dezelfde taak zo ver op dat ze niet meer praktisch bruikbaar zijn. IBM spreekt daarom van een belangrijke stap richting aantoonbaar quantumvoordeel. Dat betekent niet dat quantumcomputers vanaf nu sneller zijn dan laptops, servers of supercomputers. Het gaat om een zeer specifiek probleem dat bewust is ontworpen om de eigenschappen van een quantumcomputer te benutten.
De stap is vooral interessant omdat twee problemen tegelijk worden aangepakt. De berekening moet moeilijk genoeg zijn om klassieke computers achter zich te laten, terwijl de quantumhardware voldoende fouten moet kunnen onderdrukken én onderzoekers iets zinnigs moeten kunnen zeggen over de betrouwbaarheid van het antwoord. Precies die combinatie wordt belangrijker naarmate quantumprocessors groter worden. Een machine met duizenden of uiteindelijk miljoenen fysieke qubits heeft weinig aan een theoretisch rekenvoordeel als niemand kan vaststellen of het resultaat betrouwbaar is.
IBM en de onderzoekers van de University of Chicago hebben hun methode daarom niet alleen beschreven, maar ook de gebruikte circuits en resultaten openbaar gemaakt. Andere onderzoeksgroepen kunnen de claims daarmee verder testen en vergelijken met nieuwe klassieke simulatiemethoden. Dat laatste is geen formaliteit: eerdere claims over quantumvoordeel hebben klassieke onderzoekers geregeld aangespoord om hun algoritmen flink te verbeteren.
De interessante wedstrijd is daardoor niet simpelweg quantum tegen klassiek. Iedere snellere quantumcomputer geeft onderzoekers een reden om klassieke algoritmen slimmer te maken, waarna quantumhardware opnieuw de lat moet verhogen. Dit experiment voegt daar een extra eis aan toe: wie zegt de klassieke computer voorbij te zijn, moet ook aannemelijk kunnen maken dat de quantumcomputer onderweg niet de verkeerde afslag heeft genomen.
