Kwantumcomputers staan ​​op het punt om computationele superkrachten te worden, maar onderzoekers hebben lang gezocht naar een haalbaar probleem dat een kwantumvoordeel oplevert – iets dat alleen een kwantumcomputer kan oplossen. Alleen dan, zo stellen zij, zal de technologie eindelijk als essentieel worden gezien.

Ze zijn al tientallen jaren op zoek. "Een deel van de reden dat het een uitdaging is, is dat klassieke computers behoorlijk goed zijn in veel van de dingen die ze doen", zegt hij John Prekill, een theoretisch natuurkundige aan het California Institute of Technology.

In 1994, Peter Shor ontdekt één mogelijkheid: een kwantumalgoritme voor het ontbinden van grote getallen. Het algoritme van Shor is krachtig en er wordt algemeen aangenomen dat het alle klassieke algoritmen verslaat; wanneer het op een kwantumcomputer wordt uitgevoerd, heeft het de potentie om veel van de beveiligingssystemen van het internet te doorbreken, die afhankelijk zijn van de moeilijkheid van het factoriseren van grote getallen. Maar hoe indrukwekkend het ook is, het algoritme is slechts relevant voor een klein deel van de onderzoeksgebieden, en het is mogelijk dat iemand morgen een efficiënte manier zal vinden om grote getallen op een klassieke machine te factoriseren, waardoor het algoritme van Shor betwistbaar wordt. De beperkte toepasbaarheid van Shor heeft ertoe geleid dat de onderzoeksgemeenschap op zoek is gegaan naar andere gebruiksscenario's voor kwantummachines die daadwerkelijk zouden kunnen helpen bij het doen van nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen.

"We willen geen computer bouwen voor slechts één enkele taak", zegt hij Soonwon Choi, een natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology. “Wat kunnen we, afgezien van het algoritme van Shor, nog meer doen met een kwantumcomputer?”

Zoals Preskill het stelt: “We moeten die problemen vinden die klassiek moeilijk zijn, maar dan moeten we [laten zien] dat de kwantummethoden echt efficiënt zullen zijn.”

Een paar keer dachten onderzoekers dat het gelukt was, door kwantumalgoritmen te ontdekken die problemen sneller konden oplossen dan alles wat een klassieke computer zou kunnen doen. Maar dan iemand – vaak de jonge onderzoeker Ewin Tang – kwamen met slimme nieuwe klassieke algoritmen die beter zouden kunnen presteren dan de kwantumalgoritmen.

Nu kan een team van natuurkundigen, waaronder Preskill, dat wel hebben gedaan de beste kandidaat tot nu toe gevonden voor kwantumvoordeel. Door de energie van bepaalde kwantumsystemen te bestuderen ontdekten ze een specifieke en nuttige vraag die voor een kwantummachine gemakkelijk te beantwoorden is, maar nog steeds moeilijk voor een klassieke. “Dit is een grote vooruitgang op het gebied van de kwantumalgoritmentheorie,” zei hij Sergej Bravyi, een theoretisch natuurkundige en computerwetenschapper bij IBM. "Hun resultaat is een kwantumvoordeel voor een probleem dat relevant is voor de scheikunde en materiaalwetenschappen."

Onderzoekers zijn ook enthousiast dat het nieuwe werk onverwachte nieuwe gebieden van de natuurwetenschappen verkent. "Deze nieuwe mogelijkheid is kwalitatief anders [dan die van Shor] en opent potentieel veel nieuwe kansen in de wereld van kwantumalgoritmen", aldus Choi.

Het probleem heeft te maken met de eigenschappen van kwantumsystemen (meestal atomen) in verschillende energietoestanden. Wanneer de atomen tussen toestanden springen, veranderen hun eigenschappen. Ze kunnen bijvoorbeeld een bepaalde kleur licht uitstralen of magnetisch worden. Als we de eigenschappen van het systeem bij verschillende energietoestanden beter willen voorspellen, helpt het om het systeem te begrijpen wanneer het zich in de minst opgewonden toestand bevindt, die wetenschappers de grondtoestand noemen.

“Veel scheikundigen, materiaalwetenschappers en kwantumfysici werken aan het vinden van grondtoestanden”, zegt hij Robert Huang, een van de nieuwe artikelauteurs en onderzoekswetenschapper bij Google Quantum AI. “Het is bekend dat het extreem moeilijk is.”

Het is zo moeilijk dat onderzoekers na meer dan een eeuw werk nog steeds geen effectieve computationele benadering hebben gevonden om de grondtoestand van een systeem op basis van de eerste principes te bepalen. Er lijkt ook geen manier te zijn waarop een kwantumcomputer dit kan doen. Wetenschappers hebben geconcludeerd dat het vinden van de grondtoestand van een systeem moeilijk is voor zowel klassieke als kwantumcomputers.

Maar sommige fysieke systemen vertonen een complexer energielandschap. Wanneer ze worden afgekoeld, nemen deze complexe systemen er genoegen mee zich niet in hun grondtoestand te vestigen, maar eerder op een nabijgelegen laag energieniveau, bekend als een lokaal minimaal energieniveau. (Een deel van de Nobelprijs voor de natuurkunde van 2021 werd toegekend voor werk in een dergelijke reeks systemen, bekend als draai bril.) Onderzoekers begonnen zich af te vragen of de kwestie van het bepalen van het lokale minimale energieniveau van een systeem ook universeel moeilijk was.

De antwoorden begonnen vorig jaar naar boven te komen, toen Chi-Fang (Anthony) Chen, een andere auteur van het recente artikel, hielp bij het ontwikkelen van een nieuw artikel kwantumalgoritme dat de kwantumthermodynamica zou kunnen simuleren (die de impact van warmte, energie en werk op een kwantumsysteem bestudeert). “Ik denk dat veel mensen de vraag hebben onderzocht hoe het energielandschap eruit ziet in kwantumsystemen, maar voorheen was er geen tool om het te analyseren,” zei Huang. Het algoritme van Chen hielp een inzicht te krijgen in de manier waarop deze systemen werken.

Toen hij zag hoe krachtig de nieuwe tool was, besloten Huang en Leo Zhou, de vierde en laatste auteur van het nieuwe artikel, gebruikte het om een ​​manier te ontwerpen waarop kwantumcomputers de lokale minimale energietoestand van een systeem kunnen bepalen, in plaats van de ideale grondtoestand na te jagen – een aanpak die zich richtte op precies het soort vragen dat quantumcomputeronderzoekers Zochten naar. "Nu hebben we een probleem: het vinden van een lokale hoeveelheid energie, wat klassiek nog steeds moeilijk is, maar waarvan we kunnen zeggen dat het kwantumgemakkelijk is", zei Preskill. “Dus dat plaatst ons in de arena waar we willen zijn voor kwantumvoordeel.”

Onder leiding van Preskill bewezen de auteurs niet alleen de kracht van hun nieuwe aanpak voor het bepalen van de lokale minimale energietoestand van een systeem – een belangrijke vooruitgang op het gebied van de kwantumfysica – maar bewezen ze ook dat dit eindelijk een probleem was waarbij kwantumcomputers hun waarde konden laten zien. "Het probleem van het vinden van een lokaal minimum heeft een kwantumvoordeel", zei Huang.

En in tegenstelling tot eerdere kandidaten zal deze waarschijnlijk niet worden onttroond door nieuwe klassieke algoritmen. "Het is onwaarschijnlijk dat het zal worden gedekwantiseerd", zei Choi. Het team van Preskill deed zeer plausibele aannames en maakte weinig logische sprongen; Als een klassiek algoritme dezelfde resultaten kan bereiken, betekent dit dat natuurkundigen het over veel andere dingen mis zullen hebben. “Dat zal een schokkend resultaat zijn”, zei Choi. “Ik zal het geweldig vinden om het te zien, maar het zal te schokkend zijn om te geloven.” Het nieuwe werk presenteert een handelbare en veelbelovende kandidaat om kwantumvoordeel aan te tonen.

Voor alle duidelijkheid: het nieuwe resultaat is nog steeds theoretisch van aard. Het demonstreren van deze nieuwe aanpak op een echte kwantumcomputer is momenteel onmogelijk. Het zal tijd kosten om een ​​machine te bouwen die het kwantumvoordeel van het probleem grondig kan testen. Dus voor Bravyi begint het werk nog maar net. “Als je kijkt wat er vijf jaar geleden gebeurde, hadden we nog maar een paar qubit-kwantumcomputers, en nu hebben we al honderden of zelfs 1,000-qubit-machines”, zei hij. “Het is heel moeilijk om te voorspellen wat er over vijf of tien jaar zal gebeuren. Het is een heel dynamisch vakgebied.”

correctie: 12 maart 2024
Dit artikel is bewerkt om de zoektocht naar een probleem met kwantumvoordeel duidelijker te beschrijven.