Google claimt ‘quantumsuprematie’ te hebben bereikt. Dit betekent dat het een probleem sneller kan oplossen dan een supercomputer (de krachtigste computer van dit moment). Maar..kloppen de beweringen en hebben we hier wat aan?

Voordat we de diepte ingaan is het misschien een goed idee om even terug te gaan naar het begin. Eerder kon je hier en hier al lezen wat een quantumcomputer is en wat de mogelijkheden zijn. In dezelfde artikelen moesten we echter ook concluderen dat we nog niet zo ver waren dat quantumcomputers de digitale supercomputers al konden verslaan.

Quantum versus digitaal
Wat maakt een quantumcomputer nu ook alweer zo speciaal? Om dit te begrijpen, moeten we eerst weten wat onze dagelijkse digitale computer doet. Je leest momenteel deze tekst van een scherm van een digitale computer (ja, ook je smartphone is in feite een digitale computer), welke een enorme reeks van bits omzet naar een leesbare tekst op je interactieve scherm. Alles wat een digitale computer doet wordt uiteindelijk bepaald door een heleboel bits. Deze bits zijn als het ware de bouwstenen van computers en in feite niets anders dan schakelingetjes van 1-tjes en 0-etjes (aan of uit).


Een quantumcomputer werkt anders, want deze heeft qubits als bouwstenen. Deze zijn in plaats van 1 of 0, beide waardes tegelijk, omdat men gebruik maakt van de bizarre natuurkunde van de quantummechanica (de taal van de natuur van de kleinste deeltjes), waar dingen zich in verschillende staten tegelijkertijd kunnen bevinden. Zo maakt het bijvoorbeeld parallel rekenen door één qubit mogelijk. Een voorbeeldje: stel je voor dat je de kortste route van een doolhof moet vinden. Een digitale computer probeert alle mogelijkheden uit, terwijl een quantumcomputer alle mogelijkheden tegelijk kan uitproberen en zo veel sneller tot de juiste oplossing komt. Dit klinkt alsof de quantumcomputer een digitale computer eenvoudig zou moeten verslaan, maar dit is niet zo. Het grote probleem bij een quantumcomputer is het stabiel houden van een qubit. Omgevingsfactoren kunnen een qubit makkelijk beïnvloeden, waardoor een qubit niet meer 1 en 0 tegelijk is, maar ineenstort en al 1 of 0 wordt, voordat de berekening klaar is. Daarom functioneert een quantumcomputer het beste rond het absolute nulpunt in een geïsoleerde ruimte.
Quantumcomputers waren tot nu toe nog niet in staat een digitale computer te verslaan. Zodra dit wel lukt, spreken we over quantumsuprematie.

Google
Nu beweert Google dat het deze quantumsuprematie bereikt heeft met een quantumcomputer met een chip met 53 qubits, genaamd ‘Sycamore’. Dit aantal qubits kan 253 mogelijke combinaties van rijen met 53 1-tjes en 0-tjes tegelijkertijd gebruiken voor zijn berekeningen. De processor van deze computer doet 200 seconden over een berekening waar een digitale computer volgens Google tienduizend jaar over zou doen. Dit werd volgens de makers slecht per toeval behaald, gedurende het testen van hun nieuwe quantumprocessor. Deze quantumsuprematie vond plaats bij een berekening waarin nagegaan werd of een verzameling getallen echt willekeurig verdeeld is. Er is verder geen toepasbaar nut van deze berekening, want het was echt alleen bedoeld om de capaciteit van de quantumcomputer ten opzichte van de digitale computer te testen.

Kritiek
Googles resultaat is goed nieuws voor de wetenschappelijke wereld. Zo is het voor fysici die zich bezighouden met quantummechanica opnieuw een bevestiging dat de theorie van quantummechanica de werkelijkheid beschrijft en nuttige toepassingen heeft. Daarnaast zal het ook nieuwe computerwetenschappers en ingenieurs aantrekken tot het verder onderzoeken van quantumcomputers.


“Er wordt ook wel geredeneerd dat quantumsuprematie pas echt behaald is als een quantumcomputer in staat is om taken te verrichten waar een supercomputer niet eens toe in staat is”

Concurrent IBM spreekt Google echter tegen en zegt dat de supercomputer er niet 10.000 jaar over zou doen, maar er slechts 2,5 dag over zou doen. Dit is nog steeds langzamer dan 200 seconden, maar IBM trekt hier wel de geloofwaardigheid van Google in twijfel. Daarnaast wordt er ook geredeneerd dat quantumsuprematie pas echt behaald is, als een quantumcomputer in staat is om taken te verrichten waar een supercomputer niet eens toe in staat is. Zelfs niet in 2,5 dag of 10.000 jaar. Verder trekt IBM ook quantumsuprematie als criterium om de superioriteit van de quantumcomputer te testen in twijfel. IBM stelt voor om te kijken naar quantumvolume. Dit neemt ook andere factoren mee, zoals hoe goed qubits opgewassen zijn tegen fouten en hoelang zij hun quantumeigenschappen kunnen behouden.
Google is het eens met het feit dat er nog veel stappen moeten worden gezet voor een stabiele quantumcomputer. In hun artikel in Nature halen de onderzoekers nog aan dat er in de toekomst meer gefocust zal moeten worden op het corrigeren van fouten – zogeheten ‘quantum error correction’ algoritmes – om quantumcomputers betrouwbaarder te maken.

Concurrentie
Niet alleen IBM is een concurrent van Google. Ook Microsoft en Intel zijn met een heleboel wetenschappers aan het werken aan quantumcomputertechnologie. Daarnaast wordt er ook veel onderzoek gedaan aan universiteiten en is bijvoorbeeld de TU Delft een voorloper op het gebied van quantumcomputers.

Mogelijkheden
Googles berekening was nog niet een nuttige, maar in de toekomst zou de quantumcomputer ingezet kunnen worden om problemen op te lossen, waar een digitale supercomputer tekort schiet. Bedenk wel dat deze eerste stap nog maar een kleine stap is en dat er best nog wel decennia overheen kunnen gaan voordat we een volwaardige betrouwbare quantumcomputer op de wereld zullen hebben. Toch mogen we natuurlijk wel alvast gaan vooruit denken. Zo geloven natuurkundigen dat met een quantumcomputer de natuurkunde zelf kan worden gesimuleerd, aangezien quantummechanica de taal is van de bouwstenen van ons universum. Daarnaast kunnen we ook denken aan het simuleren van chemische reacties, waarmee nieuwe medicijnen kunnen worden ontwikkeld. Ook kunnen quantumcomputers helpen bij het doorontwikkelen van kunstmatige intelligentie en berekeningen doen met neurale netwerken. In verkeerde handen kunnen quantumcomputers echter ook ingezet worden om de versleuteling van digitale computers eenvoudig te kraken, omdat een quantumcomputer erg goed kan zijn in het factorizeren van grote getallen. Daarom wordt er nu al nagedacht over hoe banken, overheidsinstanties, enzovoorts, deze hackers voor kunnen zijn door juist met quantumcomputers de versleuteling beter te maken. Ook zal bijvoorbeeld de bitcointechnologie hiermee rekening moeten houden, aangezien deze ook gebaseerd is op cryptografie.

Of de quantumcomputer uiteindelijk in onze huiskamer komt, is wel de vraag. Aangezien een quantumcomputer alleen functioneert onder extreme omstandigheden, lijkt het er eerder op dat we een samenwerking tussen digitaal en quantum zullen zien. Denk hierbij aan het hebben van een digitaal systeem thuis en de mogelijkheid om vanaf afstand een quantumcomputer te gebruiken voor taken die het beste door een quantumcomputer uitgevoerd kunnen worden. Al met al heeft Google een flinke stap gezet in de richting van een nieuw tijdperk waarin quantumcomputers ons leven kunnen gaan beheersen.

Over de auteur
Jurjen de Jong (1993) heeft een bachelor wiskunde en bachelor natuurkunde behaald in Utrecht en een master wiskundige natuur-en sterrenkunde in Gent afgerond. Onlangs rondde hij de master-na-master in Space Studies in Leuven af met een stage bij de ESA en momenteel werkt hij als data scientist. Jurjen leest graag over de verschillende ontdekkingen en ontwikkelingen op wetenschapsgebied en door er over te schrijven hoopt hij zijn kennis te delen met een groter publiek. Zijn artikelen verschijnen niet alleen op Scientias.nl, maar ook op een blog die hij recent lanceerde: Asbronomers.com. Eerder verscheen van Jurjens hand al dit interessante artikel waarin hij uitzoekt of het nodig is dat ook de ruimtevaart groener wordt. Ook zocht hij voor Scientias.nl uit of de ruimtelift werkelijk toekomst heeft. Recent publiceerde hij ook artikelen over ruimtemijnbouw en de slimme stad.