Onderzoekers ontwikkelen methode voor het meten van quantumcomputers

Onderzoekers aan de University of Waterloo hebben een methode ontwikkeld voor het meten van de prestaties van quantumcomputers, en dit kan helpen om universele standaarden voor de machines te vestigen. 

De nieuwe methode heet cycled benchmarking, en onderzoekers gebruiken deze om het potentieel voor schaalbaarheid te beoordelen. De methode wordt ook gebruikt om verschillende quantumplatforms met elkaar te vergelijken. 

Joel Wallman is een assistent-professor aan de Faculty of Mathematics en het Institute for Quantum Computing van Waterloo.

“Deze vinding kan een lange weg afleggen om standaarden voor prestaties te vestigen en de inspanning te versterken om een grote, praktische quantumcomputer te bouwen,” zei Wallman. “Een consistente methode voor het karakteriseren en corrigeren van fouten in quantumsystemen biedt standaardisatie voor de manier waarop een quantumprocessor wordt beoordeeld, waardoor vooruitgang in verschillende architectuur eerlijk kan worden vergeleken.”

Cycle Benchmarking helpt gebruikers van quantumcomputers om concurrerende hardwareplatforms te vergelijken en de mogelijkheden van elk platform te vergroten om oplossingen te vinden voor hetgeen ze aan het werken zijn.

Op dit moment wordt de quantumcomputerrace overal ter wereld zichtbaar. Het aantal cloud-quantumcomputingplatforms en -aanbod neemt toe, en grote bedrijven als Microsoft, IBM en Google ontwikkelen constant nieuwe technologie. 

De cycle benchmarking-methode werkt door de totale foutkans te bepalen onder elke gegeven quantumcomputertoepassing. Dit gebeurt wanneer de toepassing wordt geïmplementeerd via randomized compiling. Cycle benchmarking biedt de eerste cross-platform middelen voor het meten en vergelijken van de mogelijkheden van quantumprocessors, en het is aangepast aan de toepassingen waar de gebruikers aan werken. 

Joseph Emerson is een faculteitslid van IQC.

“Dankzij de recente prestatie van Google op het gebied van quantumsuprematie, staan we nu aan de vooravond van wat ik de ‘quantumontdekkingsperiode’ noem”, zei Emerson. “Dit betekent dat foutgevoelige quantumcomputers oplossingen zullen bieden voor interessante computationele problemen, maar de kwaliteit van hun oplossingen kan niet langer worden geverifieerd door high-performance computers.

“We zijn enthousiast omdat cycle benchmarking een veelgevraagde oplossing biedt voor het verbeteren en valideren van quantumcomputingoplossingen in deze nieuwe periode van quantumontdekking.”

Emerson en Wallman richtten Quantum Benchmark Inc. op, een spin-off van IQC. Het licentieerde de technologie aan toonaangevende bedrijven in het veld van quantumcomputing, waaronder Google’s Quantum AI-inspanning.

Quantummechanica maakte quantumcomputers tot extreem krachtige machines voor berekeningen. Quantumcomputers zijn in staat om complexe problemen efficiënter op te lossen dan traditionele of digitale computers. 

Qubits zijn de basiseenheid voor verwerking in een quantumcomputer, maar ze zijn extreem kwetsbaar. Elke soort imperfectie of bron van ruis in het systeem kan leiden tot bepaalde fouten die onjuiste oplossingen veroorzaken bij een quantumberekening.

De eerste stap om verder te gaan met quantumcomputing is om controle te krijgen over een kleine quantumcomputer met één of twee qubits. Een grotere quantumcomputer kan complexere taken uitvoeren, zoals machine learning of complexe systeemsimulatie, wat kan leiden tot vooruitgang op het gebied van de ontdekking van nieuwe farmaceutische medicijnen. Het probleem is dat het ontwerpen van een grotere quantumcomputer moeilijker is, en de kans op fouten groter is naarmate qubits worden toegevoegd en het quantum systeem schaalbaar wordt. 

Een profiel van de ruis en fouten wordt gegenereerd wanneer een quantum systeem wordt gekarakteriseerd. Dit geeft aan of de processor de berekeningen uitvoert die het wordt gevraagd te doen. Alle significante fouten moeten worden gekarakteriseerd om de prestaties van een quantumcomputer te begrijpen of om op te schalen. 

Wallman, Emerson en een groep onderzoekers aan de University of Innsbruck kwamen met een methode om alle fouttarieven te beoordelen die een quantumcomputer beïnvloeden. De nieuwe techniek werd geïmplementeerd voor de ion trap quantum computer aan de University of Innsbruck, en het bleek dat de fouttarieven niet toenemen naarmate de grootte van de quantumcomputer toeneemt. 

“Cycle benchmarking is de eerste methode voor het betrouwbaar controleren of je op de goede weg bent voor het opschalen van het algehele ontwerp van je quantumcomputer,” zei Wallman. “Deze resultaten zijn significant omdat ze een uitgebreide manier bieden om fouten te karakteriseren in alle quantumcomputingplatforms.”