AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
D-Wave meldt doorbraak in foutcorrectie voor kwantumcomputers
Kwantumbedrijf D-Wave heeft in het wetenschappelijke tijdschrift Nature een nieuwe methode gepresenteerd om rekenfouten in kwantumchips sneller en efficiënter op te sporen. De techniek combineert hoge snelheid met een betrouwbaarheid van 99,9 procent en moet uiteindelijk veel minder qubits nodig maken voor een werkende, foutbestendige kwantumcomputer.
Kwantumcomputers rekenen met qubits, de kwantumversie van de bit uit gewone computers. Het probleem: qubits zijn extreem gevoelig voor storing. Al bij de kleinste verstoring van buitenaf gaat informatie verloren en ontstaat een rekenfout. Om dat op te vangen, moeten kwantumcomputers voortdurend fouten opsporen en herstellen, een proces dat bekendstaat als kwantumfoutcorrectie. Tot nu toe vergt dat enorme aantallen extra qubits per rekeneenheid, wat het bouwen van bruikbare, grootschalige systemen erg duur en complex maakt.
D-Wave, een Canadees bedrijf genoteerd aan de Nasdaq onder de naam QBTS, claimt nu een belangrijke stap te hebben gezet om dat probleem te verkleinen. In een peer-reviewed artikel in Nature beschrijven de onderzoekers een nieuwe tweequbit-poort, een fundamentele bouwsteen waarmee twee qubits met elkaar in wisselwerking worden gebracht via verstrengeling. Deze poort werkt binnen D-Wave's zogeheten dual-rail-architectuur, een ontwerp waarbij informatie over twee parallelle circuits wordt verdeeld zodat fouten makkelijker te herkennen zijn.
Snel én betrouwbaar
De resultaten zijn opvallend omdat snelheid en betrouwbaarheid vaak moeilijk samengaan in supergeleidende kwantumchips. D-Wave meet een gatefideliteit van ongeveer 99,9 procent bij deze tweequbit-bewerkingen, met een bewerkingstijd van slechts zo'n 500 nanoseconden, een halve miljoenste seconde. Belangrijk is dat de chip fouten al op hardwareniveau herkent, nog voordat softwarematige correctie nodig is. Volgens simulaties van D-Wave kan de kans op een fout in een zogeheten logische qubit daardoor met een factor tien afnemen bij elke extra stap in de foutcorrectie. Hoe hoger die factor, ook wel Lambda genoemd, hoe minder fysieke qubits nodig zijn om een betrouwbare rekeneenheid te bouwen.
"De grootste resterende uitdaging voor kwantumcomputers op poortniveau is niet simpelweg meer qubits bouwen. Het is het bouwen van systemen die fouten efficiënt kunnen corrigeren terwijl ze opschalen", zegt Alan Baratz, topman van D-Wave. Chief scientist Robert Schoelkopf voegt toe dat de nieuwe poort al is geïntegreerd in de bestaande gate-model-systemen van het bedrijf, waar hij vergelijkbare prestaties laat zien buiten het laboratorium.
Onderdeel van een langere routekaart
Het onderzoek past in de bredere strategie van D-Wave, dat zich als enig bedrijf ter wereld richt op zowel kwantum-annealing als kwantumcomputers op poortniveau (gate-model). Annealing wordt al door klanten als defensiebedrijf Lockheed Martin gebruikt voor optimalisatievraagstukken, terwijl het gate-model-platform is bedoeld voor bredere, algemene berekeningen. D-Wave, opgericht in 1999, heeft eerder een routekaart aangekondigd die moet leiden tot een systeem met honderd logische qubits in 2032, krachtig genoeg om meer dan een miljoen rekenstappen achter elkaar succesvol uit te voeren. Chief development officer Trevor Lanting noemt de nu gepubliceerde poort een van de fundamentele bouwstenen op weg naar dat doel. Concurrenten als IBM en Google werken aan vergelijkbare foutcorrectiemethoden, maar gebruiken daarbij andere chipontwerpen. Of D-Wave's aanpak zich ook op grotere schaal bewijst, moet nog blijken; de huidige resultaten gelden voor een beperkt aantal qubits in laboratoriumomstandigheden.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als D-Wave's aanpak ook op grotere schaal werkt, kunnen kwantumcomputers met veel minder extra hardware betrouwbaar worden gemaakt. Dat zou de weg vrijmaken voor praktisch inzetbare, foutbestendige kwantumcomputers die complexe problemen in scheikunde, logistiek en materiaalonderzoek kunnen doorrekenen. Het is een stap dichter bij commerciële kwantumsystemen, al blijft brede opschaling een flinke technische opgave.
- Qubit
- De kwantumversie van een bit; de basiseenheid van informatie in een kwantumcomputer, die anders dan een gewone bit meerdere toestanden tegelijk kan aannemen.
- Dual-rail qubit
- Een ontwerp waarbij informatie over twee parallelle circuits wordt verdeeld, zodat fouten makkelijker te herkennen en te lokaliseren zijn.
- Erasure qubit
- Een qubit-ontwerp waarbij het systeem zelf kan aangeven wanneer en waar een fout is opgetreden, in plaats van dat die fout onopgemerkt blijft.
- Verstrengelingspoort (entangling gate)
- Een basisbewerking die twee qubits met elkaar verbindt via kwantumverstrengeling, nodig om berekeningen tussen qubits uit te voeren.
- Kwantumfoutcorrectie
- De verzameling technieken waarmee een kwantumcomputer rekenfouten opspoort en herstelt, essentieel omdat qubits zeer gevoelig zijn voor storing.
- Logische qubit
- Een betrouwbare rekeneenheid die is opgebouwd uit meerdere fysieke qubits, zodat fouten in individuele qubits kunnen worden gecorrigeerd.
- Gatefideliteit
- Een maat voor hoe nauwkeurig een kwantumbewerking (poort) wordt uitgevoerd, uitgedrukt als percentage; hoe dichter bij 100 procent, hoe minder fouten.
- Foutreductiefactor (Lambda)
- Een getal dat aangeeft hoeveel betrouwbaarder een kwantumsysteem wordt met elke extra stap in de foutcorrectie; een factor 10 betekent tien keer minder fouten per stap.
- Gate-model kwantumcomputer
- Een type kwantumcomputer dat rekent met een reeks logische bewerkingen (poorten), vergelijkbaar met hoe klassieke computers werken, in tegenstelling tot kwantum-annealing.
- Kwantum-annealing
- Een andere aanpak van kwantumcomputing, gericht op het vinden van de beste oplossing voor optimalisatieproblemen door het systeem naar een laagste-energietoestand te laten zakken.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
