Kwantumfysici van de Universiteit van Sussex hebben een algoritme ontwikkeld dat de snelheid van berekeningen versnelt in de vroege kwantumcomputers die momenteel worden ontwikkeld. Ze hebben een nieuwe manier ontwikkeld om de ionen - of geladen atomen - rond de kwantumcomputer te leiden om de efficiëntie van de berekeningen te vergroten.

Het Sussex-team heeft laten zien hoe berekeningen in zo'n kwantumcomputer het meest efficiënt kunnen worden gedaan, door gebruik te maken van hun nieuwe 'routing-algoritme'. Hun paper "Efficient Qubit Routing for a Globally Connected Trapped Ion Quantum Computer" is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde kwantumtechnologieën .

Het team dat aan dit project werkte, werd geleid door professor Winfried Hensinger en bestond uit Mark Webber, Dr. Steven Herbert en Dr. Sebastian Weidt. De wetenschappers hebben een nieuw algoritme gemaakt dat het verkeer binnen de kwantumcomputer regelt, net als het verkeer in een drukke stad. In het ontwerp met ingesloten ionen kunnen de qubits fysiek over lange afstanden worden getransporteerd, zodat ze gemakkelijk kunnen communiceren met andere qubits. Dankzij hun nieuwe algoritme kunnen data zonder 'verkeersopstoppingen' door de kwantumcomputer stromen. Dit leidt op zijn beurt tot een krachtigere kwantumcomputer.

Van quantumcomputers wordt verwacht dat ze problemen kunnen oplossen die te complex zijn voor klassieke computers. Kwantumcomputers gebruiken kwantumbits (qubits) om informatie op een nieuwe en krachtige manier te verwerken. De specifieke kwantumcomputerarchitectuur die het team als eerste analyseerde, is een 'gevangen ion'-kwantumcomputer, bestaande uit silicium microchips met individueel geladen atomen, of ionen, zwevend boven het oppervlak van de chip. Deze ionen worden gebruikt om gegevens op te slaan, waarbij elk ion één kwantumbit informatie bevat. Het uitvoeren van berekeningen op zo'n kwantumcomputer omvat het verplaatsen van ionen, vergelijkbaar met het spelen van een spelletje Pacman, en hoe sneller en efficiënter de gegevens (de ionen) kunnen worden verplaatst, hoe krachtiger de kwantumcomputer zal zijn.

In de wereldwijde race om een ​​grootschalige kwantumcomputer te bouwen zijn er twee leidende methoden, 'supergeleidende' apparaten waar groepen als IBM en Google zich op richten, en 'trapped ion'-apparaten die worden gebruikt door de Ion Quantum Technology-groep van de University of Sussex, en het nieuw opgerichte bedrijf Universal Quantum, onder andere.

Supergeleidende kwantumcomputers hebben stationaire qubits die doorgaans alleen kunnen interageren met qubits die direct naast elkaar staan. Berekeningen met verre qubits worden gedaan door te communiceren via een keten van aangrenzende qubits, een proces vergelijkbaar met het telefoonspel (ook wel 'Chinese Whispers' genoemd), waar informatie wordt gefluisterd van de ene persoon naar de andere langs een lijn van mensen. Op dezelfde manier als in het telefoonspel, de informatie heeft de neiging om meer beschadigd te raken naarmate de keten langer is. Inderdaad, de onderzoekers ontdekten dat dit proces de rekenkracht van supergeleidende kwantumcomputers zal beperken.

In tegenstelling tot, door hun nieuwe routeringsalgoritme in te zetten voor hun architectuur met ingesloten ionen, de Sussex-wetenschappers hebben ontdekt dat hun kwantumcomputerbenadering een indrukwekkend niveau van rekenkracht kan bereiken. 'Quantum Volume' is een nieuwe maatstaf die wordt gebruikt om de rekenkracht van quantumcomputers op korte termijn te vergelijken. Ze konden Quantum Volume gebruiken om hun architectuur te vergelijken met een model voor supergeleidende qubits, waar ze voor beide benaderingen uitgingen van vergelijkbare foutenniveaus. Ze ontdekten dat de benadering met ingesloten ionen consistent beter presteerde dan de supergeleidende qubit-benadering, omdat hun routeringsalgoritme qubits in wezen in staat stelt om rechtstreeks te communiceren met veel meer qubits, wat op zijn beurt leidt tot een hogere verwachte rekenkracht.

Mark Webber, een doctoraal onderzoeker in het Sussex Center for Quantum technologies, aan de Universiteit van Sussex, zei, "We kunnen nu de rekenkracht voorspellen van de kwantumcomputers die we aan het bouwen zijn. Onze studie wijst op een fundamenteel voordeel voor apparaten met ingesloten ionen, en het nieuwe routeringsalgoritme stelt ons in staat de prestaties van vroege kwantumcomputers te maximaliseren."

Professor Hensinger, directeur van het Sussex Center for Quantum Technologies aan de Universiteit van Sussex merkte op, "Inderdaad, dit werk is de zoveelste opstap naar het bouwen van praktische kwantumcomputers die problemen in de echte wereld kunnen oplossen."

Professor Winfried Hensinger en Dr. Sebastian Weidt hebben onlangs hun spin-outbedrijf Universal Quantum gelanceerd, dat tot doel heeft 's werelds eerste grootschalige kwantumcomputer te bouwen. Het heeft de steun gekregen van enkele van 's werelds machtigste tech-investeerders. Het team was de eerste die een blauwdruk publiceerde voor het bouwen van een grootschalige quantumcomputer met gevangen ionen in 2017.