Een nieuwe test om te controleren of een kwantumcomputer de juiste antwoorden geeft op vragen die buiten het bereik van traditionele computers vallen, zou kunnen helpen om de eerste kwantumcomputer te realiseren die beter kan dan een klassieke computer.

Door een protocol te maken waarmee een kwantumcomputer zijn eigen antwoorden op moeilijke problemen kan controleren, de wetenschappers van de Universiteit van Warwick hebben een middel geleverd om te bevestigen dat een kwantumcomputer correct werkt zonder overmatig gebruik van middelen.

Samuel Ferracin, Theodoros Kapourniotis en Dr. Animesh Datta van de afdeling Natuurkunde van de universiteit hebben dit probleem onlangs aangepakt in een paper voor de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde , vandaag gepubliceerd.

De onderzoekers hebben een protocol ontwikkeld om de effecten van ruis op de output van kwantumcomputers te kwantificeren. Ruis wordt gedefinieerd als alles dat de hardware van een kwantummachine beïnvloedt, maar buiten de controle van de gebruiker ligt, zoals temperatuurschommelingen of fouten in de fabricage. Dit kan de nauwkeurigheid van de resultaten van een kwantumcomputer beïnvloeden.

Wanneer toegepast, de test van de onderzoekers levert twee percentages op:hoe dicht hij schat dat de kwantumcomputer bij het juiste resultaat is en hoe zeker een gebruiker kan zijn van die nabijheid.

De test helpt de bouwers van kwantumcomputers om te bepalen of hun machine correct presteert om hun prestaties te verfijnen, een belangrijke stap in het vaststellen van het nut van quantum computing in de toekomst.

Dr. Animesh Datta van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Warwick zei:"Een kwantumcomputer is alleen nuttig als hij twee dingen doet:ten eerste, dat het een moeilijk probleem oplost; de seconde, waarvan ik denk dat het minder wordt gewaardeerd, is dat het het moeilijke probleem correct oplost. Als het het verkeerd oplost, we hadden geen manier om erachter te komen. Dus wat ons artikel biedt, is een manier om te beslissen hoe dicht de uitkomst van een berekening bij de juiste is."

Bepalen of een kwantumcomputer een correct antwoord op een moeilijk probleem heeft opgeleverd, is een grote uitdaging, omdat, per definitie, deze problemen vallen buiten het bestek van een bestaande klassieke computer. Om te controleren of het antwoord dat het heeft opgeleverd correct is, wordt meestal een groot aantal klassieke computers gebruikt om het probleem aan te pakken, iets wat niet haalbaar is omdat ze steeds moeilijkere problemen aanpakken.

In plaats daarvan, de onderzoekers hebben een alternatieve methode voorgesteld waarbij de kwantumcomputer wordt gebruikt om een ​​aantal eenvoudige berekeningen uit te voeren waarvan we het antwoord al weten en om de nauwkeurigheid van die resultaten vast te stellen. Op basis hiervan, de onderzoekers kunnen een statistische grens stellen aan hoe ver de kwantumcomputer kan zijn van het juiste antwoord in het moeilijke probleem dat we willen beantwoorden, bekend als de doelberekening.

Het is een soortgelijk proces als dat wat computerprogrammeurs gebruiken om grote computerprogramma's te controleren, door kleine functies met bekende antwoorden in te voeren. Als het programma voldoende van deze vragen correct beantwoordt, kunnen ze erop vertrouwen dat het hele programma correct is.

Dr. Datta voegt toe:"Het hele punt van het hebben van een kwantumcomputer is om niet een exponentiële hoeveelheid tijd te besteden aan het oplossen van problemen, dus het nemen van een exponentiële hoeveelheid tijd om te controleren of het correct is of niet, verslaat het punt ervan. Onze methode is dus efficiënt omdat er geen exponentiële hoeveelheid middelen voor nodig is.

"We hebben geen klassieke computer nodig om onze kwantumcomputer te controleren. Onze methode staat op zichzelf in een kwantumsysteem dat onafhankelijk van grote servers kan worden gebruikt."

Hoofdauteur Samuele Ferracin heeft manieren ontwikkeld waarop wetenschappers die aan kwantumcomputers werken, de test in hun werk kunnen opnemen. Hij zei:"We hebben de afgelopen jaren nagedacht over nieuwe methoden om de antwoorden van kwantumcomputers te controleren en deze voor te stellen aan experimentatoren. De eerste methoden bleken te veeleisend voor de bestaande kwantumcomputers, die alleen 'kleine' berekeningen kan uitvoeren en beperkte taken kan uitvoeren. Met ons nieuwste werk hebben we met succes een methode ontwikkeld die past bij bestaande kwantumcomputers en al hun belangrijkste beperkingen omvat. We werken nu samen met experimentatoren om te begrijpen hoe het presteert op een echte machine."

Quantum computing maakt gebruik van de ongebruikelijke eigenschappen van de kwantumfysica om informatie op een geheel andere manier te verwerken dan conventionele computers. Profiteren van het gedrag van kwantumsystemen, zoals bestaande in meerdere verschillende staten tegelijkertijd, deze radicale vorm van computergebruik is ontworpen om gegevens in al die toestanden tegelijkertijd te verwerken, waardoor het een enorm voordeel heeft ten opzichte van klassiek computergebruik. Bepaalde soorten problemen, zoals die gevonden worden in het ontcijferen van codes en in de chemie, zijn bijzonder geschikt om deze eigenschap te exploiteren.

De afgelopen jaren hebben ongekende experimentele vorderingen plaatsgevonden. De grootste kwantumcomputers verdubbelen elke zes maanden in omvang en lijken nu heel dichtbij kwantumsuprematie te komen. Quantum suprematie verwijst naar een mijlpaal in de ontwikkeling van kwantumcomputers, waarbij een kwantumcomputer eerst een functie vervult die met een klassieke computer onredelijk veel tijd zou vergen.

Dr. Datta voegt toe:"Waar we in geïnteresseerd zijn, is het ontwerpen of identificeren van manieren om deze kwantummachines te gebruiken om moeilijke problemen in de natuurkunde en scheikunde op te lossen, om nieuwe chemicaliën en materialen te ontwerpen, of identificeer materialen met interessante of exotische eigenschappen. En daarom zijn we vooral geïnteresseerd in de juistheid van de berekening."