Fysici ontwikkelen algoritme voor efficiëntere quantumberekeningen

Quantumcomputing is een van de krachtigste instrumenten die de samenleving ter beschikking staan, met het potentieel om veel van de uiterst complexe problemen op te lossen die klassieke computers niet aankunnen. Om echter de meest krachtige quantumcomputers te bereiken, moet de efficiëntie worden verhoogd.

Quantumfysici aan de Universiteit van Sussex werken aan het oplossen van dit efficiëntieprobleem. Zij hebben een nieuwe algoritme ontwikkeld dat de snelheid van de berekeningsgraad in de momenteel ontwikkelde quantumcomputers kan verhogen. Het algoritme biedt een nieuwe manier om de ionen in de quantumcomputer te routeren, waardoor de efficiëntie van de berekeningen wordt verhoogd.

Het ‘routeringsalgoritme’ werd gedetailleerd in het onderzoeksartikel getiteld “Efficiënte qubit-routering voor een wereldwijd verbonden trapped ion quantumcomputer,” dat werd gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Quantum Technologies.

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

Hensinger en Webber hebben onlangs hun eigen bedrijf opgericht, Universal Quantum. Het doel is om de eerste grote quantumcomputer te bouwen, en verschillende hoogwaardige tech-investeerders hebben interesse getoond.

Routeringsalgoritme

Het routeringsalgoritme werkt door het verkeer in een quantumcomputer te reguleren, waardoor het mogelijk wordt om qubits fysiek over lange afstanden te transporteren. Hierdoor kunnen qubits met elkaar communiceren en kan de data efficiënt binnen de quantumcomputer worden verplaatst zonder dat er sprake is van verkeersopstoppingen.

Een van de fundamenten van quantumcomputers zijn quantumbits, of qubits, die worden gebruikt om informatie te verwerken. Het team analyseerde eerst een ‘trapped ion’ quantumcomputer, die bestaat uit siliciummicrochips met geladen atomen. Deze geladen atomen, of ionen, zweven boven het oppervlak van de microchip en worden gebruikt om data op te slaan. Elk ion kan één quantumbit informatie vasthouden.

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

Supergeleidende vs Trapped Ion

Er zijn twee hoofdapparaten die in de quantumcomputing worden gebruikt: supergeleidende apparaten en trapped ion-apparaten.

Supergeleidende apparaten worden door sommige grote bedrijven zoals IBM en Google (GOOGL ) gebruikt, terwijl de trapped ion-apparaten door het team van de Universiteit van Sussex en andere bedrijven worden gebruikt.

Supergeleidende quantumcomputers vertrouwen op stationaire qubits, en meestal kunnen deze alleen communiceren met qubits die direct naast elkaar liggen. Om berekeningen uit te voeren tussen qubits die niet direct naast elkaar liggen, moet er communicatie plaatsvinden via een keten van aangrenzende qubits.

Naarmate de informatie van de ene qubit naar de andere wordt verplaatst, wordt deze corrupter naarmate de keten langer wordt. Daarom worden supergeleidende quantumcomputers door het team gezien als apparaten met een beperkte berekeningskracht.

Vanwege deze beperkingen koos het team ervoor om een nieuw routeringsalgoritme te ontwikkelen voor trapped ion-architectuur. De huidige methode voor het meten van de berekeningskracht van near-term quantumcomputers is ‘Quantum Volume’, die het team kon gebruiken om hun model te vergelijken met de supergeleidende modellen.

Het team vond dat hun trapped-ionmodel consistent was en beter presteerde dan dat van de supergeleidende qubit, en dit kwam door hun algoritme dat qubits in staat stelde om direct te communiceren met meer qubits. Deze methode resulteert in een hogere verwachte berekeningskracht.

“We kunnen nu de berekeningskracht van de quantumcomputers die we bouwen voorspellen. Onze studie wees uit dat er een fundamenteel voordeel is voor trapped ion-apparaten, en het nieuwe routeringsalgoritme zal ons in staat stellen om de prestaties van vroege quantumcomputers te maximaliseren,” zei Webber.

Volgens Hensinger: “Dit werk is inderdaad nog een stap op weg naar het bouwen van praktische quantumcomputers die echte wereldproblemen kunnen oplossen.”