Nieuwe meetlat moet laten zien hoe nuttig een kwantumcomputer is

Hoe goed is een kwantumcomputer eigenlijk? Fabrikanten roepen steevast dat hun machine krachtiger is geworden, maar een eerlijke, onafhankelijke maatstaf ontbrak tot nu toe. Onderzoekers van de Amerikaanse Sandia National Laboratories denken die meetlat nu te hebben gevonden.

Een rapportcijfer voor kwantumcomputers

Het team onder leiding van natuurkundige Timothy Proctor ontwikkelde de QUOPS-score, een afkorting van 'quantum universal operation performance system'. Om de score te berekenen laat een kwantumcomputer een reeks speciale testprogramma's draaien, opgebouwd uit kwantumcircuits. Uit die test rolt een getal dat aangeeft hoeveel qubits de machine heeft en hoeveel rekenstappen ze foutloos achter elkaar kan uitvoeren.

Die score kun je vervolgens vergelijken met de QUOPS-score die een bepaald algoritme nodig heeft om tot een antwoord te komen. Is de score van het algoritme hoger dan die van de computer, dan lukt de berekening simpelweg niet. Is de score van de computer gelijk aan of hoger, dan zou de machine het probleem in theorie moeten kunnen oplossen. Een tweede getal, de QUOPS-rate, geeft aan hoe lang die berekening dan ongeveer duurt.

Nog altijd een enorme kloof

Proctor en zijn collega's berekenden de QUOPS-score van een aantal van de beste kwantumcomputers van dit moment, gebouwd door Google, IBM en Quantinuum. Geen van die machines kwam boven een score van 2000 uit. Dat is schrikbarend weinig, want berekeningen die er echt toe doen liggen ruim honderdduizend keer hoger. Denk aan het naspelen van het molecuul FeMoco, dat een sleutelrol speelt bij het omzetten van stikstof in kunstmest, of het kraken van de cryptografie die nu onze digitale communicatie beveiligt.

Opvallend is de uitkomst voor Quantinuums machine Helios-1, toen die werd ingezet als fouttolerante kwantumcomputer: een systeem dat via foutcorrectie zijn eigen rekenfouten opspoort en herstelt. Die opstelling haalde een score van ongeveer 40, veel lager dan de gewone, foutgevoelige versies. De reden is dat foutcorrectie extra qubits en rekenstappen kost. Toch zien onderzoekers dit soort logische qubits als de enige haalbare weg vooruit, omdat gewone qubits te snel fouten maken naarmate een machine groter wordt. Volgens Proctor komt het kantelpunt zodra logische qubits een hogere QUOPS-score halen dan gewone qubits. Daarna is de volgende stap om die score te laten aansluiten bij scores van nuttige algoritmes.

Reacties uit het veld

Sam Stanwyck van chipmaker Nvidia, dat meewerkte aan het onderzoek, noemt de nieuwe methode een 'reality check'. Volgens hem kunnen onderzoekers er straks mee testen hoe kleine aanpassingen aan het ontwerp van hun kwantumcomputer de score beïnvloeden, wat de zoektocht naar betere machines kan versnellen.

Ook natuurkundige Wolfgang Mauerer van de Technische Hochschule in het Duitse Regensburg is te spreken over het initiatief: dit soort benchmarks is volgens hem op dit moment erg nuttig, ook om machines met heel andere soorten qubits met elkaar te vergelijken. Toch waarschuwt hij dat de QUOPS-score waarschijnlijk niet het laatste woord is. Wat echte kwantumutiliteit precies inhoudt, is volgens hem nog niet volledig doorgrond, en dat laat zich niet in één enkele benchmark vangen.