Terwijl meerdere onderzoeksgroepen over de hele wereld racen om een ​​schaalbare kwantumcomputer te bouwen, er blijven vragen over hoe het bereiken van kwantumsuprematie zal worden geverifieerd.

Quantum suprematie is de term die het vermogen van een kwantumcomputer beschrijft om een ​​rekentaak op te lossen die voor elk klassiek algoritme onbetaalbaar zou zijn. Het wordt beschouwd als een cruciale mijlpaal in quantum computing, maar omdat de aard van kwantumactiviteit de traditionele bevestiging tart, er zijn parallelle pogingen geweest om een ​​manier te vinden om te bewijzen dat quantum suprematie is bereikt.

Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben zojuist gewogen door een toonaangevend praktisch voorstel dat bekend staat als random circuit sampling (RCS) een gekwalificeerd keurmerk te geven met het gewicht van complexiteitstheoretisch bewijs erachter. Willekeurige circuitsampling is de techniek die Google naar voren heeft gebracht om te bewijzen of het kwantumsuprematie heeft bereikt met een 72-qubit computerchip genaamd Bristlecone, eerder dit jaar onthuld.

De computertheoretici van UC Berkeley publiceerden hun bewijs van RCS als verificatiemethode in een paper dat maandag werd gepubliceerd, 29 okt. in het journaal Natuurfysica .

"De behoefte aan sterk bewijs voor kwantumsuprematie wordt ondergewaardeerd, maar het is belangrijk om dit vast te leggen, " zei hoofdonderzoeker Umesh Vazirani van de studie, Roger A. Strauch Hoogleraar Elektrotechniek en Computerwetenschappen aan UC Berkeley. "Behalve een mijlpaal op weg naar bruikbare kwantumcomputers, quantum suprematie is een nieuw soort natuurkundig experiment om de kwantummechanica in een nieuw regime te testen. De fundamentele vraag die voor een dergelijk experiment moet worden beantwoord, is hoe zeker kunnen we zijn dat het waargenomen gedrag echt kwantum is en niet met klassieke middelen kon worden gerepliceerd. Dat is waar onze resultaten op inspelen."

De andere onderzoekers op dit artikel zijn Adam Bouland en Bill Fefferman, beide postdoctorale onderzoekers, en Chinmay Nirkhe, een doctoraat student, allemaal in de theoretische informatica-onderzoeksgroep van Vazirani.

Investering in kwantum warmt op

De krant komt te midden van versnelde activiteit bij de overheid, de academische wereld en de industrie in de kwantuminformatiewetenschap. Congres overweegt de National Quantum Initiative Act, en vorige maand, het Amerikaanse ministerie van Energie en de National Science Foundation hebben bijna $ 250 miljoen aan subsidies aangekondigd om onderzoek in kwantumwetenschap en -technologieën te ondersteunen.

Tegelijkertijd, het Lawrence Berkeley National Laboratory en UC Berkeley hebben de vorming aangekondigd van Berkeley Quantum, een partnerschap dat is ontworpen om innovatie in de kwantuminformatiewetenschap te versnellen en uit te breiden.

Er staat veel op het spel nu de internationale concurrentie in kwantumonderzoek toeneemt en de behoefte aan steeds complexere berekeningen toeneemt. Met echte kwantumcomputers, problemen die zelfs voor de snelste supercomputers tot nu toe onpraktisch zijn, zouden relatief efficiënt kunnen worden opgelost. Het zou een game-changer zijn in cryptografie, simulaties van moleculaire en chemische interacties en machine learning.

Quantumcomputers worden niet beperkt door de traditionele nullen en enen van de bits van een traditionele computer. In plaats daarvan, kwantumbits, of qubits, kan nullen coderen, 1s en elke kwantumsuperpositie van de twee om meerdere toestanden tegelijk te creëren.

Toen Google Bristlecone onthulde, het zei dat het empirische bewijs van zijn kwantumsuprematie zou komen door willekeurige circuitbemonstering, een techniek waarbij het apparaat willekeurige instellingen zou gebruiken om zich als een willekeurig kwantumcircuit te gedragen. Overtuigend zijn, er zou ook sterk bewijs moeten zijn dat er geen klassiek algoritme draait op een klassieke computer die een willekeurig kwantumcircuit kan simuleren, tenminste binnen een redelijke tijd.

Kwantumaccenten detecteren

Het team van Vazirani verwees naar een analogie tussen de uitvoer van het willekeurige kwantumcircuit en een reeks willekeurige lettergrepen in het Engels:zelfs als de lettergrepen geen coherente zinnen of woorden vormen, ze zullen nog steeds een Engels "accent" hebben en zullen herkenbaar verschillen van Grieks of Sanskriet.

Ze toonden aan dat het produceren van een willekeurige output met een "kwantumaccent" inderdaad moeilijk is voor een klassieke computer door middel van een technische complexiteitstheoretische constructie die "worst-to-average-case-reductie" wordt genoemd.

De volgende stap was om te verifiëren dat een kwantumapparaat daadwerkelijk sprak met een kwantumaccent. Dit is gebaseerd op het Goldilocks-principe:een machine van 50 qubit is groot genoeg om krachtig te zijn. maar klein genoeg om te worden gesimuleerd door een klassieke supercomputer. Als het mogelijk is om te verifiëren dat een machine van 50 qubit met een kwantumaccent spreekt, dan zou dat sterk bewijs leveren dat een machine van 100 qubit, wat onbetaalbaar moeilijk zou zijn om klassiek te simuleren, zou dat doen, ook.

Maar zelfs als een klassieke supercomputer zou zijn geprogrammeerd om met een kwantumaccent te spreken, zou het een moedertaalspreker kunnen herkennen? De enige manier om de output van de luidspreker te verifiëren is door een statistische test, zeiden de Berkeley-onderzoekers. Google-onderzoekers stellen voor om de mate van overeenstemming te meten met een statistiek die 'cross-entropieverschil' wordt genoemd. Een cross-entropiescore van 1 zou een ideale match zijn.

Het vermeende kwantumapparaat kan worden beschouwd als een ideaal kwantumcircuit waaraan willekeurige ruis is toegevoegd. Fefferman en Bouland zeggen dat de cross-entropiescore de authenticiteit van het kwantumaccent zal bevestigen, op voorwaarde dat de ruis altijd entropie aan de output toevoegt. Dit is niet altijd het geval – bijvoorbeeld als het ruisproces bij voorkeur 0s boven 1s wist, het kan de entropie zelfs verminderen.

"Als de willekeurige circuits van Google worden gegenereerd door een proces dat dergelijke verwijderingen mogelijk maakt, dan zou de kruis-entropie geen geldige maatstaf zijn voor kwantum suprematie, "zei Bouland. "Dat is gedeeltelijk waarom het voor Google erg belangrijk zal zijn om vast te stellen hoe zijn apparaat afwijkt van een echt willekeurig kwantumcircuit."

Deze resultaten zijn een echo van het werk dat Vazirani in 1993 deed met zijn leerling Ethan Bernstein, de deur openen naar kwantumalgoritmen door versnellingen door kwantumcomputers te presenteren die een fundamenteel principe van de informatica schenden, de Extended Church-Turing-these.

Peter Shor van Bell Labs ging nog een stap verder door aan te tonen dat een zeer belangrijk praktisch probleem, gehele factorisatie, exponentieel kan worden versneld door een kwantumcomputer.

"Deze reeks biedt een sjabloon voor de race om werkende kwantumcomputers te bouwen, " zei Vazirani. "Quantum suprematie is een experimentele schending van de Extended Church-Turing stelling. Als dat eenmaal is bereikt, de volgende uitdaging zal zijn om kwantumcomputers te ontwerpen die praktisch bruikbare problemen kunnen oplossen."