Onderzoekers van de Universiteit van Waterloo hebben een methode ontwikkeld die de weg zou kunnen effenen voor het vaststellen van universele standaarden voor het meten van de prestaties van kwantumcomputers.

De nieuwe methode, cyclusbenchmarking genoemd, stelt onderzoekers in staat om het potentieel van schaalbaarheid te beoordelen en het ene kwantumplatform met het andere te vergelijken.

"Deze bevinding zou een grote bijdrage kunnen leveren aan het vaststellen van prestatienormen en het versterken van de inspanningen om een ​​grootschalige, praktische kwantumcomputer, " zei Joël Wallman, een assistent-professor aan de Faculteit der Wiskunde en het Instituut voor Quantum Computing van Waterloo. "Een consistente methode voor het karakteriseren en corrigeren van fouten in kwantumsystemen zorgt voor standaardisatie voor de manier waarop een kwantumprocessor wordt beoordeeld, waardoor vooruitgang in verschillende architecturen eerlijk kan worden vergeleken."

Cyclusbenchmarking biedt een oplossing die gebruikers van kwantumcomputing helpt om zowel de vergelijkende waarde van concurrerende hardwareplatforms te bepalen als het vermogen van elk platform te vergroten om robuuste oplossingen te leveren voor hun toepassingen waarin ze geïnteresseerd zijn.

De doorbraak komt nu de kwantumcomputerrace snel aan het opwarmen is, en het aantal cloud-quantumcomputingplatforms en -aanbiedingen breidt zich snel uit. Alleen al in de afgelopen maand er zijn belangrijke aankondigingen van Microsoft, IBM en Google.

Deze methode bepaalt de totale kans op fouten onder een gegeven quantum computing-applicatie wanneer de applicatie wordt geïmplementeerd door middel van gerandomiseerde compilatie. Dit betekent dat cyclusbenchmarking de eerste platformonafhankelijke manier is om de mogelijkheden van kwantumprocessors te meten en te vergelijken die zijn aangepast aan de toepassingen van gebruikers.

"Dankzij Google's recente prestatie van kwantumsuprematie, we staan ​​nu aan het begin van wat ik het `quantum discovery-tijdperk' noem, zei Joseph Emerson, een faculteitslid bij IQC. "Dit betekent dat foutgevoelige kwantumcomputers oplossingen zullen bieden voor interessante rekenproblemen, maar de kwaliteit van hun oplossingen kan niet langer worden geverifieerd door krachtige computers.

"We zijn enthousiast omdat cyclusbenchmarking een broodnodige oplossing biedt voor het verbeteren en valideren van kwantumcomputeroplossingen in dit nieuwe tijdperk van kwantumontdekking."

Emerson en Wallman richtten de IQC spin-off Quantum Benchmark Inc. op, die deze technologie al in licentie heeft gegeven aan verschillende toonaangevende leveranciers van kwantumcomputers, inclusief Google's Quantum AI-inspanning.

Quantumcomputers bieden een fundamenteel krachtigere manier van computergebruik, dankzij de kwantummechanica. In vergelijking met een traditionele of digitale computer, kwantumcomputers kunnen bepaalde soorten problemen efficiënter oplossen. Echter, qubits - de basisverwerkingseenheid in een kwantumcomputer - zijn kwetsbaar; elke onvolkomenheid of bron van ruis in het systeem kan fouten veroorzaken die leiden tot onjuiste oplossingen bij een kwantumberekening.

Controle krijgen over een kleinschalige kwantumcomputer met slechts één of twee qubits is de eerste stap in een groter, ambitieuzer streven. Een grotere kwantumcomputer kan mogelijk steeds complexere taken uitvoeren, zoals machine learning of het simuleren van complexe systemen om nieuwe farmaceutische medicijnen te ontdekken. Het ontwerpen van een grotere kwantumcomputer is een uitdaging; het spectrum van foutpaden wordt gecompliceerder naarmate qubits worden toegevoegd en het kwantumsysteem schaalt.

Het karakteriseren van een kwantumsysteem levert een profiel op van de ruis en fouten, aangeven of de processor de taken of berekeningen uitvoert, het wordt gevraagd om te doen. Om de prestaties van een bestaande kwantumcomputer voor een complex probleem te begrijpen of om een ​​kwantumcomputer op te schalen door fouten te verminderen, het is eerst nodig om alle significante fouten die het systeem aantasten te karakteriseren.

Wallman, Emerson en een groep onderzoekers van de Universiteit van Innsbruck hebben een methode gevonden om alle foutenpercentages te beoordelen die een kwantumcomputer beïnvloeden. Ze implementeerden deze nieuwe techniek voor de ionenval-kwantumcomputer aan de Universiteit van Innsbruck en ontdekten dat de foutenpercentages niet toenemen naarmate de grootte van die kwantumcomputer een veelbelovend resultaat oplevert.

"Cyclusbenchmarking is de eerste methode om betrouwbaar te controleren of je op de goede weg bent om het algehele ontwerp van je kwantumcomputer op te schalen, "zei Wallman. "Deze resultaten zijn belangrijk omdat ze een uitgebreide manier bieden om fouten op alle kwantumcomputerplatforms te karakteriseren."

De paper "Karakterisering van grootschalige kwantumcomputers via cyclusbenchmarking" verschijnt in: Natuurcommunicatie .