in 2019, Google beweerde dat het de eerste was die een kwantumcomputer demonstreerde die een berekening uitvoert die de mogelijkheden van de krachtigste supercomputers van vandaag te boven gaat.

Maar meestal, het creëren van een kwantumalgoritme dat een kans maakt om een ​​klassieke computer te verslaan, is een toevallig proces, Dat zeggen wetenschappers van Purdue University. Om meer sturing te geven aan dit proces en het minder willekeurig te maken, deze wetenschappers ontwikkelden een nieuwe theorie die uiteindelijk kan leiden tot een meer systematisch ontwerp van kwantumalgoritmen.

De nieuwe theorie, beschreven in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde kwantumtechnologieën , is de eerste bekende poging om te bepalen welke kwantumtoestanden kunnen worden gecreëerd en verwerkt met een acceptabel aantal kwantumpoorten om beter te presteren dan een klassiek algoritme.

Natuurkundigen noemen dit concept van het hebben van het juiste aantal poorten om elke toestand te controleren 'complexiteit'. Aangezien de complexiteit van een kwantumalgoritme nauw verband houdt met de complexiteit van de kwantumtoestanden die bij het algoritme betrokken zijn, de theorie zou daarom orde kunnen scheppen in de zoektocht naar kwantumalgoritmen door te karakteriseren welke kwantumtoestanden aan die complexiteitscriteria voldoen.

Een algoritme is een opeenvolging van stappen om een ​​berekening uit te voeren. Het algoritme wordt meestal geïmplementeerd op een circuit.

Bij klassieke computers circuits hebben poorten die bits naar een 0- of 1-status schakelen. Een kwantumcomputer vertrouwt in plaats daarvan op rekeneenheden die "qubits" worden genoemd en die de toestanden 0 en 1 tegelijkertijd in superpositie opslaan, waardoor meer informatie kan worden verwerkt.

Wat een kwantumcomputer sneller zou maken dan een klassieke computer, is een eenvoudigere informatieverwerking, gekenmerkt door de enorme vermindering van het aantal kwantumpoorten in een kwantumcircuit in vergelijking met een klassiek circuit.

In klassieke computers neemt het aantal poorten in circuits exponentieel toe met betrekking tot de omvang van het betreffende probleem. Dit exponentiële model groeit zo verbazingwekkend snel dat het fysiek onmogelijk wordt om zelfs maar een middelgroot probleem van belang aan te pakken.

"Bijvoorbeeld, zelfs een klein eiwitmolecuul kan honderden elektronen bevatten. Als elk elektron maar twee vormen kan aannemen, dan zou om 300 elektronen te simuleren 2300 klassieke toestanden nodig zijn, wat meer is dan het aantal van alle atomen in het heelal, " zei Sabre Kais, een professor in Purdue's Department of Chemistry en lid van het Purdue Quantum Science and Engineering Institute.

Voor kwantumcomputers, er is een manier waarop kwantumpoorten "polynoom" kunnen opschalen - in plaats van alleen exponentieel zoals een klassieke computer - met de grootte van het probleem (zoals het aantal elektronen in het laatste voorbeeld). "Polynoom" betekent dat er drastisch minder stappen (poorten) nodig zijn om dezelfde hoeveelheid informatie te verwerken, een kwantumalgoritme superieur maken aan een klassiek algoritme.

Onderzoekers hebben tot nu toe geen goede manier gehad om te identificeren welke kwantumtoestanden zouden kunnen voldoen aan deze voorwaarde van polynomiale complexiteit.

"Er is een zeer grote zoekruimte voor het vinden van de toestanden en volgorde van poorten die qua complexiteit overeenkomen om een ​​bruikbaar kwantumalgoritme te creëren dat berekeningen sneller kan uitvoeren dan een klassiek algoritme, " zei Kai, wiens onderzoeksgroep kwantumalgoritmen en methoden voor het leren van kwantummachines ontwikkelt.

Kais en Zixuan Hu, een Purdue postdoctoraal medewerker, gebruikte de nieuwe theorie om een ​​grote groep kwantumtoestanden met polynomiale complexiteit te identificeren. Ze toonden ook aan dat deze toestanden een coëfficiënt kunnen delen die kan worden gebruikt om ze beter te identificeren bij het ontwerpen van een kwantumalgoritme.

"Gezien elke kwantumtoestand, we zijn nu in staat om een ​​efficiënte bemonsteringsprocedure voor coëfficiënten te ontwerpen om te bepalen of deze tot de klasse behoort of niet, " zei Hu.