Engelse onderzoekers hebben de tijd die nodig is om een quantumcomputer te simuleren flink verlaagd. Een taak die een ‘gewone’ supercomputer eerst 600 miljoen jaar zou kosten, kunnen zij nu in enkele maanden voltooien.

Een belangrijk doel van onderzoekers die werken aan quantumcomputers is het bereiken van ‘quantumvoordeel’. Hierbij krijgt een quantumcomputer een taak voor elkaar die de huidige supercomputers niet binnen afzienbare tijd kunnen voltooien. Engelse onderzoekers hebben dit een tikje lastiger gemaakt door de simulatie van een quantumcomputer met een ‘gewone’ supercomputer een miljard keer te versnellen.

Quantumcomputers zijn veelbelovend omdat ze dankzij quantumeigenschappen bepaalde berekeningen tegelijkertijd, en daardoor veel sneller, kunnen uitvoeren dan huidige computers. Dit zou het bijvoorbeeld mogelijk maken om moleculen in detail te bestuderen en het gedrag van materialen voor nieuwe batterijen en medicijnen te voorspellen.

Ockhams scheermes: hoe een middeleeuwse monnik de kracht van eenvoud doorzag
LEES OOK
Ockhams scheermes: hoe een middeleeuwse monnik de kracht van eenvoud doorzag

Quantumvoordeel

Voorlopig zijn dergelijk praktische toepassingen van quantumcomputer nog ver weg. De huidige quantummachines zijn nog klein en de pogingen om quantumvoordeel te bereiken, beperken zich tot heel specifieke taken.

In december 2020 claimden Chinese onderzoekers quantumvoordeel te hebben bereikt met een quantumcomputer die gebruik maakt van lichtdeeltjes (fotonen). Hun quantumcomputer kon slechts een enkele taak. Simpel gezegd was dat het produceren van een reeks willekeurige getallen. Dat klinkt eenvoudig, maar voor een gewone computer is échte willekeur bijna onmogelijk.

De Chinese quantumcomputer volbracht deze taak – waar ‘s werelds grootste supercomputer 600 miljoen jaar over zou doen – in 200 seconden. Hiermee leek de mijlpaal van quantumvoordeel bereikt.

De Engelse onderzoekers zagen deze claim als een uitdaging. Ze gingen aan de slag met een computerprogramma dat een quantumcomputer op basis van fotonen simuleert. Hun doel was om de simulatie van de specifieke taak van de willekeurige getallenreeks te versnellen. Dat lukte. Ze brachten de simulatietijd terug van 600 miljoen jaar naar een paar maanden. De simulatie is zeker niet sneller dan de quantumcomputer, maar de taak wordt wel ‘binnen afzienbare tijd’ voltooid.

Snelle simulatie

‘Het simuleren van quantumcomputers helpt ons om de prestaties van quantumcomputers te beoordelen’, zegt natuurkundige Jacob Bulmer van de University of Bristol in het Verenigd Koninkrijk. ‘Ook helpt het om beter te begrijpen waar hun complexiteit vandaan komt, zodat het ontwerp verbeterd kan worden.’

Bulmer en zijn collega’s versnelden de simulatie door naar de detectoren van de Chinese quantumcomputer te kijken. ‘Hun detectoren kunnen wel het verschil zien tussen nul fotonen en één of meer fotonen’, zegt hij. ‘Maar niet het verschil tussen één foton en twee of meer fotonen.’ De Engelse onderzoekers ontwikkelden een nieuw algoritme dat deze detectoreigenschap beter nabootst.

Dit betekent dat het simulatieprogramma na het eerste foton alle andere fotonen in de detector kan negeren. Dat scheelt rekenkracht waardoor de simulatie versneld kon worden. ‘Voor dit specifieke experiment ging het om een versnellingsfactor van een miljard.’

Dit laat zien dat de werking van de detector veel invloed heeft op de simulatie en dus waarschijnlijk ook op de quantumcomputer. Door de detectoren te verbeteren, kan er mogelijk veel winst behaald worden.

Om de simulatie nog verder te versnellen, willen de Engelse onderzoekers de werking van de Chinese quantumcomputer – met alle kleine imperfecties – nog beter te begrijpen.