Quantum computing belooft de vreemde eigenschappen van de kwantummechanica te benutten in machines die zelfs de krachtigste supercomputers van vandaag zullen overtreffen. Maar de omvang van hun toepassing, het blijkt, is niet helemaal duidelijk.

Om het potentieel van quantum computing volledig te benutten, wetenschappers moeten beginnen bij de basis:het ontwikkelen van stapsgewijze procedures, of algoritmen, voor kwantumcomputers om eenvoudige taken uit te voeren, zoals het ontbinden van een getal. Deze eenvoudige algoritmen kunnen vervolgens worden gebruikt als bouwstenen voor meer gecompliceerde berekeningen.

Prasanth Shyamsundar, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij het Fermilab Quantum Institute van het Department of Energy, heeft precies dat gedaan. In een voordrukpapier dat in februari werd uitgebracht, hij kondigde twee nieuwe algoritmen aan die voortbouwen op bestaand werk in het veld om de soorten problemen die kwantumcomputers kunnen oplossen verder te diversifiëren.

"Er zijn specifieke taken die sneller kunnen worden gedaan met behulp van kwantumcomputers, en ik ben geïnteresseerd om te begrijpen wat die zijn, "Zei Shyamsundar. "Deze nieuwe algoritmen voeren generieke taken uit, en ik hoop dat ze mensen zullen inspireren om nog meer algoritmen om hen heen te ontwerpen."

Shyamsundar's kwantumalgoritmen, vooral, zijn handig bij het zoeken naar een specifiek item in een ongesorteerde verzameling gegevens. Beschouw een speelgoedvoorbeeld:stel dat we een stapel van 100 vinylplaten hebben, en we belasten een computer met het vinden van dat ene jazzalbum in de stapel.

klassiek, een computer zou elke afzonderlijke plaat moeten onderzoeken en een ja-of-nee-beslissing moeten nemen of dit het album is waarnaar we op zoek zijn, op basis van een bepaalde reeks zoekcriteria.

"Je hebt een vraag, en de computer geeft je een output, ' zei Shyamsundar. 'In dit geval, de vraag is:Voldoet dit record aan mijn set criteria? En de output is ja of nee."

Het vinden van het betreffende record kan slechts een paar zoekopdrachten vergen als het zich bijna bovenaan de stapel bevindt, of dichter bij 100 zoekopdrachten als de record bijna onderaan staat. Gemiddeld, een klassieke computer zou het juiste record vinden met 50 zoekopdrachten, of de helft van het totale aantal in de stapel.

Een kwantumcomputer, anderzijds, zou het jazzalbum veel sneller vinden. Dit komt omdat het de mogelijkheid heeft om alle records in één keer te analyseren, met behulp van een kwantumeffect genaamd superpositie.

Met dit pand, het aantal zoekopdrachten dat nodig is om het jazzalbum te vinden is slechts ongeveer 10, de vierkantswortel van het aantal records in de stapel. Dit fenomeen staat bekend als kwantumversnelling en is het resultaat van de unieke manier waarop kwantumcomputers informatie opslaan.

Het kwantumvoordeel:

Klassieke computers gebruiken opslageenheden, bits genaamd, om gegevens op te slaan en te analyseren. Aan een bit kan een van twee waarden worden toegewezen:0 of 1.

De kwantumversie hiervan wordt een qubit genoemd. Qubits kunnen ook 0 of 1 zijn, maar in tegenstelling tot hun klassieke tegenhangers, ze kunnen ook een combinatie van beide waarden tegelijk zijn. Dit staat bekend als superpositie, en stelt kwantumcomputers in staat om meerdere records te beoordelen, of staten, tegelijkertijd.

"Als een enkele qubit in een superpositie van 0 en 1 kan staan, dat betekent dat twee qubits zich in een superpositie van vier mogelijke toestanden kunnen bevinden, " Shyamsundar zei. Het aantal toegankelijke staten groeit exponentieel met het aantal qubits dat wordt gebruikt.

Lijkt krachtig, Rechtsaf? Het is een enorm voordeel bij het benaderen van problemen die veel rekenkracht vereisen. Het nadeel, echter, is dat superposities probabilistisch van aard zijn - wat betekent dat ze geen definitieve resultaten zullen opleveren over de individuele toestanden zelf.

Zie het als een muntstuk. Wanneer in de lucht, de staat van de munt is onbepaald; het heeft een kans van 50% om kop of munt te landen. Pas als de munt de grond bereikt, zakt hij in een nauwkeurig te bepalen waarde.

Kwantumsuperposities werken op een vergelijkbare manier. Ze zijn een combinatie van individuele staten, elk met hun eigen kans om te verschijnen wanneer ze worden gemeten.

Maar het proces van meten zal niet noodzakelijk de superpositie doen instorten tot de waarde waarnaar we op zoek zijn. Dat hangt af van de kans die hoort bij de juiste toestand.

"Als we een superpositie van records creëren en deze meten, we zullen niet per se het juiste antwoord krijgen, "Zei Shyamsundar. "Het gaat ons gewoon een van de records opleveren."

Om volledig te profiteren van de versnellende kwantumcomputers, dan, wetenschappers moeten op de een of andere manier in staat zijn om het juiste record te extraheren waarnaar ze op zoek zijn. Als ze dat niet kunnen, het voordeel ten opzichte van klassieke computers gaat verloren.

De kansen op correcte toestanden vergroten

Gelukkig, wetenschappers hebben bijna 25 jaar geleden een algoritme ontwikkeld dat een reeks operaties op een superpositie zal uitvoeren om de waarschijnlijkheden van bepaalde individuele toestanden te vergroten en andere te onderdrukken, afhankelijk van een bepaalde reeks zoekcriteria. Dat betekent dat als het tijd is om te meten, de superpositie zal hoogstwaarschijnlijk instorten in de staat waarnaar ze op zoek zijn.

Maar de beperking van dit algoritme is dat het alleen kan worden toegepast op Booleaanse situaties, of degenen die kunnen worden opgevraagd met een ja of nee output, zoals zoeken naar een jazzalbum in een stapel van meerdere platen.

Scenario's met niet-booleaanse uitvoer vormen een uitdaging. Muziekgenres zijn niet precies gedefinieerd, dus een betere benadering van het probleem van jazzplaten zou kunnen zijn om de computer te vragen de albums te beoordelen op hoe "jazzy" ze zijn. Dit kan lijken op het toekennen van een score aan elk record op een schaal van 1 tot 10.

Eerder, wetenschappers zouden niet-booleaanse problemen zoals deze moeten omzetten in problemen met booleaanse output.

"Je zou een drempel instellen en zeggen dat elke staat onder deze drempel slecht is, en elke staat boven deze drempel is goed, " zei Shyamsundar. In ons voorbeeld van een jazzplaat, dat zou hetzelfde zijn als zeggen dat alles met een cijfer tussen 1 en 5 geen jazz is, terwijl alles tussen 5 en 10 is.

Maar Shyamsundar heeft deze berekening zo uitgebreid dat een Booleaanse conversie niet langer nodig is. Hij noemt deze nieuwe techniek het niet-booleaanse kwantumamplitudeversterkingsalgoritme.

"Als een probleem een ​​ja-of-nee antwoord vereist, het nieuwe algoritme is identiek aan het vorige, "Zei Shyamsundar. "Maar dit komt nu open voor meer taken; er zijn veel problemen die natuurlijker kunnen worden opgelost in termen van een score in plaats van een ja-of-nee-output."

Een tweede algoritme geïntroduceerd in het papier, het kwantumgemiddelde schattingsalgoritme genoemd, stelt wetenschappers in staat om de gemiddelde beoordeling van alle records te schatten. Met andere woorden, het kan beoordelen hoe "jazzy" de stapel als geheel is.

Beide algoritmen maken het overbodig om scenario's te reduceren tot berekeningen met slechts twee soorten uitvoer, en in plaats daarvan een reeks outputs mogelijk te maken om informatie nauwkeuriger te karakteriseren met een kwantumversnelling ten opzichte van klassieke computermethoden.

Procedures als deze lijken misschien primitief en abstract, maar ze bouwen een essentiële basis voor meer complexe en nuttige taken in de kwantumtoekomst. Binnen de natuurkunde, de nieuw geïntroduceerde algoritmen kunnen wetenschappers uiteindelijk in staat stellen om de doelgevoeligheden in bepaalde experimenten sneller te bereiken. Shyamsundar is ook van plan om deze algoritmen te gebruiken voor gebruik in kwantummachine learning.

En buiten het domein van de wetenschap? De mogelijkheden moeten nog worden ontdekt.

"We staan ​​nog in de begindagen van kwantumcomputers, "Shyamsundar zei, opmerkend dat nieuwsgierigheid vaak innovatie stimuleert. "Deze algoritmen zullen van invloed zijn op hoe we in de toekomst kwantumcomputers gebruiken."