Onderzoekers van de Universiteit van Bristol hebben ontdekt dat superkrachtige kwantumcomputers, waar wetenschappers en ingenieurs over de hele wereld naartoe racen om te bouwen, moeten nog krachtiger zijn dan eerder werd gedacht voordat ze de gewone pc's van vandaag kunnen verslaan.

Quantumcomputers zijn een nieuw type machine die op kwantummechanische hardware werken en waarvan wordt voorspeld dat ze enorme snelheidsvoordelen bieden bij het oplossen van bepaalde problemen.

Onderzoeksgroepen bij vooraanstaande universiteiten en bedrijven, inclusief Google, Microsoft en IBM, maken deel uit van een wereldwijde race om de eerste kwantumcomputer te realiseren die de 'quantum computational singularity' binnengaat.

Dit vertegenwoordigt een probleem dat zo complex is dat de huidige supercomputer er eeuwen over zou doen om een ​​oplossing te vinden. terwijl een kwantumcomputer het binnen enkele minuten kan kraken.

Nu heeft een team van wetenschappers uit Bristol ontdekt dat de grens naar deze singulariteit verder weg ligt dan eerder werd gedacht.

Het onderzoek wordt deze week gerapporteerd in Natuurfysica .

De resultaten zijn van toepassing op een zeer invloedrijk kwantumalgoritme dat bekend staat als 'boson sampling', die was bedacht als een zeer directe route om de suprematie van kwantumcomputers over klassieke machines aan te tonen.

Het boson-bemonsteringsprobleem is ontworpen om te worden opgelost door fotonen (lichtdeeltjes) die worden bestuurd in optische chips - technologie die is ontwikkeld door Bristol's Quantum Engineering and Technology Labs (QETLabs).

Het voorspellen van het patroon van veel fotonen die uit een grote optische chip komen, is gerelateerd aan een extreem harde willekeurige matrixberekening.

Met de snelle vooruitgang in kwantumtechnologieën, het leek alsof een boson-bemonsteringsexperiment dat overging in de quantum computationele singulariteit binnen bereik was. Echter, het Bristol-team was in staat om een ​​oud klassiek algoritme opnieuw te ontwerpen om bosonbemonstering te simuleren, met dramatische gevolgen.

Dr. Anthony Laing, die aan het hoofd staat van een groep in QETLabs en dit onderzoek leidde, zei:"Het is als het afstellen van een oud propellervliegtuig om sneller te gaan dan een vroeg straalvliegtuig.

"We bevinden ons op een moment in de geschiedenis waar het nog steeds mogelijk is voor klassieke algoritmen om beter te presteren dan de kwantumalgoritmen waarvan we verwachten dat ze uiteindelijk supersonisch zullen zijn.

"Maar het demonstreren van zo'n prestatie betekende het samenstellen van een geweldig team van wetenschappers, wiskundigen, en programmeurs."

Klassieke algoritme-expert Dr. Raphaël Clifford, van de afdeling Computerwetenschappen van Bristol, verschillende klassieke algoritmen opnieuw ontworpen om het boson-samplingprobleem aan te pakken, met het Metropolised Independence Sampling-algoritme uit de jaren 50 voor de beste prestaties.

De simulatiecode is geoptimaliseerd door QETLabs-onderzoeker 'EJ', een voormalig LucasArts-programmeur. Expertise op het gebied van computationele complexiteit kwam van Dr. Ashley Montanaro, van Bristol's School of Mathematics, terwijl QETLabs-studenten Chris Sparrow en Patrick Birchall de verwachte prestaties van de concurrerende kwantumfotonica-technologie uitwerkten.

De kern van het project en het samenbrengen van al deze onderdelen was QETLabs PhD-student en eerste auteur op het papier, Alex Neville, wie heeft getest, geïmplementeerd, vergeleken, en geanalyseerd, alle algoritmen.

Hij zei:"Het grootste boson-bemonsteringsexperiment dat tot nu toe is gerapporteerd, betreft vijf fotonen.

"Men geloofde dat 30 of zelfs 20 fotonen voldoende zouden zijn om quantum computationele suprematie aan te tonen."

Toch kon hij op zijn eigen laptop bosonbemonstering voor 20 fotonen simuleren, en verhoogde de simulatiegrootte tot 30 fotonen door afdelingsservers te gebruiken.

Alex voegde toe:"Met toegang tot de krachtigste supercomputer van vandaag, we zouden boson-bemonstering kunnen simuleren met 50 fotonen."

Het onderzoek bouwt voort op de reputatie van Bristol als een centrum van activiteit voor kwantumwetenschap en de ontwikkeling van kwantumtechnologieën.

Via QETLabs, de universiteit is begonnen aan een ambitieus programma om kwantumtechnologieën uit het laboratorium te halen en ze om te bouwen tot bruikbare apparaten met echte toepassingen om enkele van de moeilijkste problemen van de samenleving aan te pakken.

Naast samenwerkingen met techbedrijven als Microsoft, Google, en Nokia, start-ups en nieuwe bedrijfsactiviteiten gericht op kwantumtechnologieën zijn ontstaan ​​in Bristol.

Een belangrijk thema in de algehele kwantumonderzoeksactiviteit is het ontwikkelen van ons begrip van hoe kwantumtechnologieën aantoonbaar beter kunnen presteren dan conventionele computers.

Onlangs heeft Dr. Montanaro, samen met professor Noah Linden van de School of Mathematics, organiseerde een Heilbronn Focused Research Group over het onderwerp quantum computationele suprematie.

Deze bijeenkomst bracht enkele van de wereldleiders in het veld, uit zowel de industrie als de academische wereld, naar Bristol voor een week van intense discussies en samenwerking. Onder de aanwezigen was een van de theoretici die bosonbemonstering bedacht, Professor Scott Aaronson, van UT Austin.

Hoewel het misschien iets langer duurt om beter te presteren dan klassieke computers dan aanvankelijk werd gehoopt, Dr. Laing is nog steeds optimistisch over de vooruitzichten voor het bouwen van een apparaat om precies dat te doen.

Hij zei:"We hebben nu een goed idee van de technologische uitdaging die we moeten aangaan om aan te tonen dat kwantummachines hun klassieke tegenhangers kunnen overtreffen. Voor boson-bemonstering, de singulariteit ligt net voorbij 50 fotonen. Het is een hardere noot om te kraken dan we eerst dachten, maar we koesteren nog steeds onze kansen."

Met de groep van Dr. Laing gericht op praktische toepassingen van kwantumtechnologieën, het huidige werk stelt grenzen aan de omvang en verfijning van fotonische apparaten die nodig zullen zijn om industrieel relevante problemen aan te pakken die de mogelijkheden van de huidige klassieke algoritmen te boven gaan.