Google heeft zijn nieuwe quantumcomputer Willow onthuld, die uitblinkt in een benchmarkprobleem. Maar het is nog niet duidelijk of zulke technologie ook een praktisch doel dient.
Google heeft een nieuwe quantumcomputer onthuld en beweert daarmee opnieuw een voorsprong te nemen in de race om traditionele supercomputers te verslaan. Betekent dit dat we nu eindelijk bruikbare quantumcomputers hebben?
Quantumsuperioriteit
In 2019 beweerde Google dat hun quantumcomputer Sycamore een berekening had uitgevoerd die voor ‘gewone’ supercomputers onmogelijk is. Dat zou betekenen dat de langverwachte quantumsuperioriteit, het moment waarop quantumcomputers taken uitvoeren die gewone computers niet kunnen, een feit zou zijn.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Sindsdien hebben ‘klassieke’ supercomputers de achterstand op Sycamore ingehaald. Maar nu heeft Google een nieuwe quantumchip, Willow, waarvan onderzoeker Julian Kelly van Google Quantum AI zegt dat het de beste tot nog toe is.
Motorkap
‘Je kunt dit zien als een chip met alle voordelen van Sycamore, maar als je onder de motorkap kijkt, hebben we de geometrie veranderd. We hebben de processor opnieuw ontworpen’, zegt Kelly. Terwijl de meest geavanceerde versie van Sycamore 67 qubits, of quantumbits, had om informatie te verwerken, is Willow geüpgraded naar 105 qubits.
Idealiter zouden grotere quantumcomputers ook krachtiger moeten zijn, maar onderzoekers hebben ontdekt dat de qubits in grotere apparaten moeite hebben om coherent te blijven, waardoor ze hun quantumwaarde verliezen. Dit is ook geconstateerd door concurrenten IBM en de in Californië gevestigde startup Atom Computing, die beide onlangs quantumcomputers met meer dan 1000 qubits hebben geïntroduceerd.
Kelly zegt dat de kwaliteit van de qubits daarom een belangrijk aandachtspunt is geweest voor het team, en dat de qubits van Willow hun kwetsbare quantumtoestanden meer dan vijf keer langer kunnen behouden dan die van Sycamore. Daardoor kunnen ze betrouwbaar informatie bewaren.
Kloof
Google gebruikt een specifieke benchmarktaak, genaamd RCS, om de prestaties van zijn quantumcomputers te beoordelen. Willow blonk hierin uit, zegt Google-onderzoeker Hartmut Neven. De taak bestaat uit het controleren of een steekproef van getallen, gegenereerd door een programma dat op de chip draait, een zo willekeurig mogelijke verdeling heeft. Gedurende een aantal jaren kon Sycamore dit sneller dan ’s werelds beste supercomputers, maar in 2022, en daarna opnieuw in 2024 zijn er nieuwe records gevestigd door conventionele computers.
Google zegt dat Willow de kloof tussen quantum en traditionele machines opnieuw heeft vergroot. De taak duurde 5 minuten op de chip, terwijl het bedrijf schat dat het 10 septiljoen jaar zou duren – veel meer dan de leeftijd van het universum in het kwadraat – op een supercomputer.
In deze vergelijking modelleerden de onderzoekers een versie van de Frontier-supercomputer (die onlangs werd gedegradeerd tot slechts de op één na krachtigste supercomputer ter wereld) met meer geheugen dan hij momenteel kan gebruiken, wat de rekenkracht van Willow alleen maar onderstreept, zegt Neven. Hoewel de records van Sycamore verbroken zijn, heeft hij er vertrouwen in dat Willow de kampioensstatus langer zal behouden nu conventionele rekenmethodes hun grenzen bereiken.
Praktisch nut
Wat nog niet duidelijk is, is of Willow echt iets nuttigs kan doen, aangezien de RCS-benchmarktest geen praktische toepassing heeft. Kelly zegt dat slagen in de benchmark een ‘noodzakelijke maar niet voldoende’ voorwaarde is voor het nut van een quantumcomputer. Al is het ook zo dat elke chip die niet heel goed is in RCS, geen kans maakt om later ooit praktisch nut te hebben.
Het Google-team heeft nog een reden om in de toekomst van Willow te geloven: de chip is erg goed in het corrigeren van zijn eigen fouten. De neiging van quantumcomputers om fouten te maken is een van de grootste problemen die de opmars van quantumcomputers remt. Om dit te verbeteren, groeperen onderzoekers, waaronder het team van Google, fysieke qubits tot ‘logische qubits’. Die zijn beter bestand tegen fouten.
Met Willow toonde het team aan dat naarmate de logische qubits groter werden, ze beter fouten konden voorkomen, en ongeveer de helft minder fouten maakten dan de fysieke qubits waaruit ze bestonden. Bovendien werd die foutmarge nog eens gehalveerd toen de logische qubits weer ongeveer verdubbeld werden. Op deze manier bereikten de Google-onderzoekers een drempel waarvan ze denken dat ze het aantal qubits kunnen blijven vergroten, door steeds grotere quantumcomputers te maken. Zo kunnen ze steeds beter berekeningen uitvoeren, iets wat tot nog toe nog geen trend was.
‘Dit is naar mijn mening een waterscheiding, en hoewel we nog ver verwijderd zijn van het demonstreren van een praktische quantumcomputer, is het een belangrijke en noodzakelijke stap in de richting van dat doel’, zegt quantumcomputeronderzoeker Andrew Cleland van de Universiteit van Chicago in de VS.
Fouttolerante quantumcomputers
Quantumtechnoloog Martin Weides van de Universiteit van Glasgow in het Verenigd Koninkrijk zegt dat het nieuwe onderzoek een route toont naar ‘fouttolerante’ quantumcomputers, ofwel computers die al hun fouten kunnen detecteren en corrigeren. Er zijn nog steeds uitdagingen, maar deze stap vooruit maakt de weg vrij voor baanbrekende toepassingen in de quantumchemie, zoals het ontdekken van medicijnen en het ontwerpen van materialen, zegt hij. Ook in cryptografie en machine learning verwacht hij spannende ontwikkelingen.
Door de focus op foutcorrectie is de vooruitgang in logische qubits een belangrijk vergelijkingspunt geworden tussen de beste quantumcomputers van vandaag. In 2023 gebruikte een team van onderzoekers van Harvard-universiteit en startup QuEra qubits gemaakt van extreem koude rubidiumatomen om het record te vestigen van het hoogste aantal logische qubits ooit gemaakt. Eerder dit jaar koppelden onderzoekers van Microsoft en Atom Computing een recordaantal logische qubits aan elkaar via quantumverstrengeling.
Grootste test
De aanpak van Google is anders omdat die zich richt op het steeds groter en beter maken van afzonderlijke logische qubits, in plaats van op het maximaliseren van het aantal. ‘We zouden onze chip in steeds kleinere logische qubits kunnen verdelen en algoritmes kunnen uitvoeren, maar we wilden echt deze drempel bereiken. Dit is waar alle onderliggende uitdagingen liggen’, zegt Kelly.
Uiteindelijk is de grootste test voor Willow of deze computer op betrouwbare wijze iets kan berekenen dat nuttig is, maar onmogelijk op een conventionele computer. Neven zegt dat Sycamore al is gebruikt om wetenschappelijke ontdekkingen te doen, bijvoorbeeld in de quantumfysica, maar dat het team zich met Willow meer richt op toepassingen in de echte wereld. ‘We bewegen ons in de richting van nieuwe berekeningen en simulaties die klassieke computers niet zouden kunnen doen.’
