IBM-kwantumcomputer lost onhaalbare rekensom op in 15 minuten

Een team van IBM en de Amerikaanse University of Chicago heeft een berekening laten uitvoeren door een kwantumcomputer die de grens van wat klassieke computers aankunnen overschrijdt. De som werd in ongeveer 15 minuten opgelost. Volgens de onderzoekers zouden de beste klassieke rekenmethodes daar een onwerkbaar lange tijd voor nodig hebben. Het resultaat is gepubliceerd in het paper 'Sampling hard circuits with verifiably high fidelity'.

Het bijzondere aan deze proef is niet alleen de snelheid, maar vooral dat de wetenschappers tegelijk konden bewijzen dat de uitkomst klopt. Dat klinkt vanzelfsprekend, maar is bij kwantumcomputers een lastig probleem. Onderzoekers gebruiken al jaren een test genaamd random circuit sampling om te kijken of een kwantumcomputer patronen kan genereren die te ingewikkeld zijn voor een gewone computer om na te bootsen. Het probleem: zodra een berekening te moeilijk wordt voor klassieke simulatie, wordt het ook razend lastig om te controleren of de kwantumcomputer wel het juiste antwoord gaf. Vertrouwen moest tot nu toe vaak berusten op aannames over hoe de machine zich intern gedraagt.

Een nieuwe manier om te controleren

Om dat op te lossen ontwikkelden de onderzoekers een gestructureerdere variant van de bekende test. Die behoudt dezelfde reken-moeilijkheidsgraad, maar maakt het mogelijk om fouten te ontdekken terwijl de berekening nog loopt. Zo kan de computer zelf statistisch bewijs leveren dat zijn antwoord betrouwbaar is, ook al is de som te complex om op een klassieke computer te controleren. Bill Fefferman van de University of Chicago noemt verificatie 'een van de grootste uitdagingen' bij het aantonen van echt kwantumvoordeel. Zijn collega Soumik Ghosh wijst erop dat betere verificatietechnieken op termijn ook praktische toepassingen dichterbij kunnen brengen.

Zeventig foutbestendige qubits

Naast de verificatiemethode is de schaal van het experiment opvallend. De onderzoekers gebruikten 70 logische qubits: rekeneenheden die met behulp van kwantumfoutcorrectie beter bestand zijn tegen fouten dan gewone, fysieke qubits. Daarmee voerden ze 2.415 logische twee-qubit-bewerkingen uit en 468 zogeheten T-poorten, twee maten die de complexiteit van het circuit weergeven. Dankzij de foutcorrectie lag het effectieve foutpercentage tien keer lager dan dat van de onderliggende fysieke qubits, waardoor de berekening ondanks het grote aantal stappen toch nauwkeurig bleef.

IBM-onderzoeksdirecteur Jay Gambetta noemt dit een teken dat de sector 'stevig in het kwantumvoordeel-tijdperk' zit. Snelheid alleen maakt een kwantumcomputer echter nog niet bruikbaar: er is ook een manier nodig om fouten te onderdrukken en aan te tonen dat een resultaat klopt. Door beide voor het eerst op deze schaal te combineren, zetten de onderzoekers een stap richting kwantumcomputers die niet alleen snel, maar ook aantoonbaar betrouwbaar zijn. De gebruikte circuits en data zijn openbaar gemaakt via de Quantum Advantage Tracker, zodat andere onderzoeksgroepen de resultaten kunnen natrekken.