Natuurkundigen ontwikkelen algoritmen om efficiëntere kwantumberekeningen te maken

Kwantumcomputing is een van de krachtigste hulpmiddelen die beschikbaar zijn voor de samenleving, met het potentieel om veel van de uiterst complexe problemen op te lossen die klassieke computers niet aankunnen. Om de krachtigste kwantumcomputers te realiseren, is er echter een verhoging van de efficiëntie nodig.

Kwantumfysici aan de Universiteit van Sussex pakken dit efficiëntieprobleem aan. Ze hebben een nieuw algoritme gemaakt dat de snelheid van de berekeningen in de kwantumcomputers die momenteel worden ontwikkeld, kan verhogen. Het algoritme biedt een nieuwe manier om de ionen rond de kwantumcomputer te leiden, wat de efficiëntie van de berekeningen verhoogt. 

Het 'routeringsalgoritme' werd gedetailleerd beschreven in het onderzoeksartikel met de titel "Efficiënte Qubit-routering voor een wereldwijd verbonden Quantum-computer met ingesloten ionen”, dat in het tijdschrift werd gepubliceerd Geavanceerde kwantumtechnologieën.

Het team werd geleid door professor Winfried Hensinger en bestond uit Mark Webber, Dr. Steven Haerbert en Dr. Sebastian Weidt. 

Hensinger en Webber hebben onlangs hun eigen bedrijf gelanceerd, Universal Quantum. Het heeft tot doel de allereerste grootschalige kwantumcomputer te bouwen, en verschillende high-level tech-investeerders hebben interesse getoond. 

Routeringsalgoritme

Het routeringsalgoritme werkt door het verkeer in een kwantumcomputer te reguleren, waardoor quibits fysiek over lange afstanden kunnen worden getransporteerd. Hierdoor kunnen de quibits communiceren met anderen en kunnen de gegevens efficiënt en zonder storingen binnen de kwantumcomputer worden verplaatst. 

Een van de fundamentele aspecten van kwantumcomputers zijn kwantumbits, of quibits, die worden gebruikt om informatie te verwerken. Het team analyseerde eerst een kwantumcomputer met 'gevangen ionen', die bestaat uit microchips van silicium met geladen atomen. Deze geladen atomen of ionen zweven boven het oppervlak van de microchip en worden gebruikt om gegevens op te slaan. Elk ion kan één kwantumbit aan informatie bevatten.

Om berekeningen op dit type kwantumcomputer te kunnen doen, moeten de ionen worden verplaatst. De kracht van de kwantumcomputer hangt af van hoe snel en efficiënt dit kan gebeuren.

Supergeleidend versus gevangen ion

Er zijn twee hoofdapparaten die worden gebruikt op het gebied van kwantumcomputing: supergeleidende apparaten en apparaten met ingesloten ionen. 

Supergeleidende apparaten worden gebruikt door enkele grote bedrijven zoals IBM en Google, terwijl de gevangen ionenapparaten worden gebruikt door het team van de Universiteit van Sussex en andere bedrijven. 

Supergeleidende kwantumcomputers zijn afhankelijk van stationaire quibits, en meestal kunnen deze alleen interageren met quibits die vlak naast elkaar staan. Om berekeningen te laten plaatsvinden tussen quibits die niet direct naast elkaar liggen, moet er communicatie zijn via een keten van aangrenzende quibits. 

Naarmate de informatie van de ene qubit naar de volgende gaat, enzovoort, wordt deze corrupter naarmate de keten langer is. Hierdoor wordt door het team gezien dat supergeleidende kwantumcomputers een beperkte rekenkracht hebben. 

Vanwege deze beperkingen koos het team ervoor om een ​​nieuw routeringsalgoritme te ontwikkelen voor de architectuur met ingesloten ionen. De huidige methode voor het meten van de rekenkracht van kwantumcomputers op korte termijn is 'Quantum Volume', waarmee het team hun model kon vergelijken met de supergeleidende. 

Het team ontdekte dat hun model met ingesloten ionen consistenter was en beter presteerde dan dat van de supergeleidende qubit, en dit was te danken aan hun algoritme waardoor quibits rechtstreeks konden communiceren met meer quibits. Deze methode resulteert in een hogere verwachte rekenkracht. 

“We kunnen nu de rekenkracht voorspellen van de kwantumcomputers die we aan het bouwen zijn. Onze studie wees op een fundamenteel voordeel voor gevangen ionenapparaten, en het nieuwe routeringsalgoritme zal ons in staat stellen de prestaties van vroege kwantumcomputers te maximaliseren, "zei Webber. 

Volgens Hensinger: "Dit werk is inderdaad weer een nieuwe opstap naar het bouwen van praktische kwantumcomputers die problemen in de echte wereld kunnen oplossen."