Deze kwantumcomputer laat supercomputers achter zich (op 1 specifieke taak)

Een kwantumcomputer met 98 “qubits” heeft een berekening uitgevoerd die de snelste klassieke supercomputers ter wereld niet kunnen nabootsen. Maar dat betekent nog niet dat ze klaar zijn om op de markt te komen.

Een gewone computer rekent met bits. Dat zijn minuscule schakelaars die een 0 of een 1 kunnen voorstellen. Alles wat je pc of smartphone doet, komt neer op het razendsnel omzetten van enorme rijen van die nullen en enen. 

Een kwantumcomputer gebruikt qubits. Dat zijn een soort bits die dankzij de eigenaardige wetten van de kwantummechanica een combinatie van 0 én 1 tegelijk kunnen zijn. Dat wordt “superpositie” genoemd. Zet je veel qubits samen en laat je ze op elkaar inwerken, iets dat men ‘verstrengeling’ noemt, dan kunnen ze in één klap een gigantisch aantal mogelijke combinaties tegelijk verkennen. Voor bepaalde problemen kunnen kwantumcomputers snelheden halen waar normale computers niet tegen zijn opgewassen. 

Zwevende atomen in een vacuüm

Het bedrijf Quantinuum heeft nu de nieuwste versie van zijn kwantumcomputer getoond. De machine heet Helios en is uitgerust met 98 qubits. De qubits zijn in dit geval geladen bariumatomen, oftewel ionen, die met elektrische velden zwevend op hun plek worden gehouden in een vacuüm in een zogeheten “ionenval”. De toestand 0 of 1 zit verstopt in een eigenschap van zo’n atoom en met nauwkeurige laserstralen kunnen de onderzoekers die toestand uitlezen en bewerken. Elke bewerking heet een “poort” (gate), naar analogie met de logische poorten in een gewone chip.

Leestip: Een wiebelige basis: waarom ruis de kracht van kwantumcircuits beperkt

Wat Helios bijzonder maakt

Twee dingen maken Helios bijzonder. Het eerste is de betrouwbaarheid. Kwantumtoestanden zijn extreem kwetsbaar. De kleinste verstoring introduceert een fout. Onderzoekers drukken die fouten uit in “infidelity”, een maat voor hoe vaak een bewerking misgaat. Bij Helios gaat een bewerking met twee qubits gemiddeld in minder dan één op de duizend gevallen mis. Het apparaat heeft een fidelity van 99,92 procent. Bewerkingen met één qubit zijn nog veel betrouwbaarder. Dat klinkt misschien vanzelfsprekend, maar zo nauwkeurig blijven terwijl je het aantal qubits opvoert, is uitzonderlijk knap.

Het tweede is de architectuur. In veel kwantumcomputers kan een qubit alleen “praten” met zijn directe buren. Helios heeft all-to-all connectivity: elke qubit kan met elke andere samenwerken. De machine werkt op dat vlak een beetje als een gewone computer, met aparte plekken voor geheugen en rekenwerk en een soort verkeersregelaar die de atomen op het juiste moment naar de juiste plek stuurt. Vijf jaar geleden had de eerste versie van deze technologie zes qubits; daarna werden het er 20, 56 en nu zijn het er 98.

Iets wat supercomputers niet kunnen

Om te bewijzen dat de machine echt voorbij het klassieke rekenen reikt, gebruikten de onderzoekers een test die random circuit sampling heet. Je laat daarbij de kwantumcomputer een lange reeks willekeurige bewerkingen uitvoeren en kijkt welke uitkomsten eruit komen. Dit soort taken is voor gewone computers moordend zwaar om na te rekenen. Volgens de onderzoekers zou een klassieke supercomputer er astronomisch veel tijd en energie voor nodig hebben om Helios bij te benen.

Zo’n test bewijst echter vooral dat de machine iets kan wat moeilijk na te bootsen is. Het is geen nuttige toepassing op zich. En 98 qubits is, hoe knap ook, nog ver van de vele duizenden foutgecorrigeerde qubits die nodig zijn voor de grote beloften die makers van kwantumcomputers maken. Uiteindelijk moeten de machines nieuwe materialen en medicijnen ontwerpen. 

Toch wordt Helios volgens zijn makers al gebruikt voor nuttige toepassingen, zoals de generatie van gegarandeerd willekeurige getallen. Het is een bescheiden begin. Maar het is een begin. 

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Wetenschappers hebben atomen leren communiceren over afstand en dat is een sprong vooruit naar grotere kwantumcomputers en Wiskundigen gebruiken ‘vergeten deeltjes’ om kwantumcomputer nieuw leven in te blazen. Of lees dit artikel: Paddenstoelen als computeronderdeel? Daar zijn onderzoekers echt mee bezig.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: