Zelfs voor quantumcomputers is deze ingewikkelde berekening te veel gevraagd

20 uren geleden 1

Quantumcomputers kunnen veel problemen sneller of efficiënter oplossen dan conventionele computers. Toch beginnen onderzoekers nu te ontdekken waar ze tekort kunnen schieten.

Wetenschappers hebben een ‘nachtmerriescenario’ voor quantumcomputers geformuleerd. Ze hebben een berekening bedacht – die te maken heeft met exotische vormen van quantumdeeltjes – die zelfs de krachtigste quantumcomputer niet op kan lossen.

Als je de complexiteit van quantumtoestanden van materie buiten beschouwing laat, is het bepalen van de fase van een materiaal relatief eenvoudig. Neem water: het is gemakkelijk te zien of het zich in een vaste of vloeibare fase bevindt. De quantumversie van deze taak is echter een stuk uitdagender. Natuurkundige Thomas Schuster van het California Institute of Technology in de Verenigde Staten en zijn collega’s hebben nu aangetoond dat het identificeren van quantumfasen van materie zo moeilijk kan zijn dat zelfs quantumcomputers er niet mee overweg kunnen.

'Door naar influencers te luisteren, ga je verkeerde keuzes maken'

Hoe herken je medische misinformatie die wordt verspreid door influencers? Yvette Linders doet onderzoek naar de rol van deze nieuwe 'gezondheidsadvis ...

Niet altijd onmogelijk

Ze voerden een wiskundige analyse uit van een situatie waarbij een quantumcomputer een reeks metingen van een quantumtoestand van een object voorgeschoteld krijgt. Vervolgens moest de computer de fase ervan identificeren. Quantumfasen zijn de exotischere familieleden van vloeibaar water en ijs, zoals ‘topologische’ fasen, die gekenmerkt worden door bijzondere elektrische stromen.

Volgens Schuster is dit niet altijd een onmogelijke opdracht. Wel heeft zijn team bewezen dat een quantumcomputer voor een aanzienlijk deel van de quantumfasen mogelijk een onvoorstelbaar lange rekentijd nodig heeft. De situatie is te vergelijken met de slechtst denkbare versie van een laboratoriumexperiment, waarbij het identificeren van de eigenschappen van een monster zou vereisen dat een instrument miljarden of biljoenen jaren aan blijft staan.

Diagnose

Dit betekent niet dat quantumcomputers nutteloos zijn voor deze taak. Schuster geeft aan dat deze fasen waarschijnlijk niet voorkomen in daadwerkelijke experimenten met materialen of quantumcomputers. Ze zijn meer een diagnose van waar ons begrip van quantumcomputers op dit moment tekortschiet dan een dreigend praktisch probleem. ‘Het is als een nachtmerriescenario dat heel vervelend zou zijn als het zich voordoet. Dat is niet heel waarschijnlijk, maar we moeten het wel beter begrijpen’, zegt hij.

Computerwetenschapper Bill Fefferman van de Universiteit van Chicago in de VS zegt dat deze studie interessante vragen oproept over wat computers in het algemeen kunnen. ‘Dit zegt misschien iets over de grenzen van computers in bredere zin. Ondanks spectaculaire snelheidsverbeteringen voor bepaalde specifieke taken, zullen er altijd taken blijven die zelfs voor efficiënte quantumcomputers te moeilijk zijn’, zegt Fefferman.

Wiskundig gezien verbindt het nieuwe onderzoek elementen uit quantumversleuteling van data met ideeën die fundamenteel zijn voor de fysica van materie. Dit onderzoek zou ook kunnen helpen om beide vooruit te helpen, zegt hij.

In de toekomst wil het team hun analyse uitbreiden naar quantumfasen van materie die met hogere energieën gepaard gaan, waarvan bekend is dat ze nog moeilijker te berekenen zijn.