Quantumchip‑mijlpaal wekt opwinding voor de toekomst van computertechnologie

Een nieuwe mijlpaal in quantumcomputing

Quantumcomputing is, samen met AI, een nieuwe horizon voor de technologiesector. Dit komt doordat, in tegenstelling tot andere niet‑siliconen rekentechnologieën, zoals grafeen, fotonica of zelfs biologische organoïden, quantumcomputing berekeningen uitvoert op een radicaal nieuwe manier.

Dit gebeurt door gebruik te maken van kwantumeffecten, waarbij de berekening niet wordt uitgevoerd met 0 & 1 (binaire bits), maar met qubits, waarbij de deeltjesdata tegelijk 0 EN 1 kan zijn, of 1, of 0. Deze verschillende methoden betekenen dat voor sommige wiskundige problemen quantumcomputers absurd efficiënter kunnen zijn dan gewone computers.

En dit is precies wat Google zojuist heeft gedemonstreerd: het heeft een nieuwe chip onthuld die vijf minuten nodig heeft om een probleem op te lossen dat de snelste supercomputers ter wereld momenteel tien septiljoen – of 10.000.000.000.000.000.000.000.000 jaar – zou kosten om te voltooien.

Naast deze opmerkelijke prestatie kan dit ook de eerste quantumcomputerchip zijn die een redelijke kans heeft om schaalbaar en betrouwbaar te zijn voor bruikbare berekeningen. De resultaten werden gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Nature, onder de titel “Quantumfoutcorrectie onder de drempel van de surface code“.

Maak kennis met Willow

De Google quantumcomputingchip in kwestie heet Willow.

Bron: Google

Dit is de laatste versie van een reeks steeds krachtigere quantumchips ontwikkeld door Google, genaamd Foxtail, Bristlecone en Sycamore.

Bron: Google

Om de prestaties van Willow te testen, werd de random circuit sampling (RCS) benchmark gebruikt om deze te vergelijken met een gewone supercomputer. Deze techniek werd ontwikkeld om de prestaties van Sycamore te meten, waarbij wordt geëvalueerd hoeveel qubits nodig zijn om een gelijkwaardig resultaat te behalen met een klassieke computer.

Bron: Google

Schaalbaarheid eindelijk binnen handbereik

Een belangrijke beperking van quantumcomputing tot nu toe is dat qubits extreem fragiel zijn. Dit komt doordat kwantumtoestanden zeer kortlevend zijn, waarbij interferenties vanuit de omgeving de voorwaarden die nodig zijn voor kwantumberekeningen destabiliseren.

Dit is de reden waarom alle huidige quantumcomputers ultrakoele omstandigheden gebruiken en supergeleidende materialen vereisen. Dit maakt het niet alleen complexer en duurder, maar ook zeer moeilijk betrouwbaar te gebruiken.

“Om een quantumcomputer nuttige berekeningen te laten uitvoeren, heb je kwantuminformatie nodig, en moet je die beschermen tegen de omgeving — en tegen onszelf, wanneer we manipulaties uitvoeren.”

Julian Kelly – natuurkundige bij Google die de quantum‑hardware divisie leidt

Om het probleem nog te verergeren, geldt tot nu toe: hoe meer qubits er in een systeem zijn, hoe hoger de fout, waarbij elke instabiliteit een domino‑effect veroorzaakt. Dus meer qubits, meer fouten, tot het punt waarop het toevoegen van meer rekenkracht de algehele prestaties juist verlaagt.

En misschien nog meer dan zijn rekenvermogen, is dit waar Willow een echte doorbraak is.

U kunt ook direct meer zien over de exacte prestaties van Willow in de door Google toegewijde video‑presentatie:

Foutcorrectie

De fundamentele stap voor Google is geweest om te werken aan zogenaamde foutcorrectie. Het idee is dat in een bepaalde quantumcomputer sommige qubits betrouwbaarder zijn dan andere.

Dus kunnen de onderpresterende qubits worden geherconfigureerd zodat ze presteren zoals de rest van de chip.

Bron: Google

Verdere verbetering kan worden bereikt door de kalibratiemethode te verbeteren, zodat fouten worden geminimaliseerd via software‑verbeteringen op alle qubits.

Drempel voor kwantumfoutcorrectie

Deze drempel is een al lange tijd nagestreefd doel van quantumcomputingswetenschappers. Het is het punt waarop het foutpercentage laag genoeg is dat hoe meer qubits je toevoegt, hoe minder fouten je krijgt. Dit werd lange tijd theoretisch voorspeld, maar voor het eerst bereikt met Willow.

We hebben steeds grotere arrays van fysieke qubits getest, van een raster van 3×3 gecodeerde qubits, naar een raster van 5×5, naar een raster van 7×7 — en elke keer, met behulp van onze nieuwste doorbraken in kwantumfoutcorrectie, konden we het foutpercentage halveren.

Google Quantum Computing Department

Bron: Google

In wezen, in plaats van dat fouten zich opstapelen tot een ineenstorting, zijn de fouten nu zeldzaam genoeg om met extra rekenkracht te worden gecorrigeerd, waardoor de betrouwbaarheid van het geheel toeneemt.

Een cruciale factor voor Google om deze doorbraak te bereiken was een radicale verbetering van een specifieke qubit‑prestatie, genaamd “qubit coherence time”. Dit is de tijd waarin de qubit zijn coherentiestatus kan behouden, een voorwaarde om kwantumberekeningen uit te voeren.

Willow bereikte een coherentiestatus van 100 microseconden, tegenover slechts 20 microseconden voor de Sycamore uit 2019.

Dit is een belangrijk datapunt, aangezien de verbetering in coherentiestatus, die direct leidt tot exponentieel betrouwbaardere quantumcomputers, kan worden gezien als de huidige quantumversie van de wet van Moore, die de constante verbetering van “normale” computers heeft aangedreven.

Als het eerste systeem onder deze drempel is dit de meest overtuigende prototype voor een schaalbare logische qubit tot nu toe. Het is een sterk signaal dat bruikbare, zeer grote quantumcomputers inderdaad kunnen worden gebouwd. Willow brengt ons dichter bij het uitvoeren van praktische, commercieel relevante algoritmen die niet kunnen worden gerepliceerd op conventionele computers.

Google Quantum Computing Department

Dit alles was mogelijk dankzij Google’s langetermijninvestering in zijn faciliteit voor de productie van supergeleidende quantumchips.

Van fysieke naar logische qubit

Voor elke bruikbare berekening moet quantumcomputing logische qubits gebruiken, oftewel de daadwerkelijke rekeneenheid die door de fysieke chip wordt geproduceerd.

Met Willow’s foutpercentage wordt verwacht dat elke logische qubit bestaat uit ongeveer 1.000 fysieke qubits. Verdere verbetering van foutcorrectie zou dit zelfs kunnen terugbrengen tot 200 fysieke qubits.

Momenteel heeft Willow een capaciteit van 105 qubits.

Volgende stappen

Met deze doorbraak is het perspectief om een stabiele, betrouwbare en schaalbare logische qubit te bouwen nu binnen handbereik. Vooral omdat het toevoegen van fysieke qubits nu het foutpercentage exponentieel verlaagt, in plaats van het exponentieel te laten groeien.

Waarschijnlijk zal de volgende stap zijn om de opvolger van Willow te bouwen met nog meer qubits, terwijl de foutcorrectietechnologie ook wordt verbeterd. Samen zou dit elke volgende quantumchip van Google voldoende kunnen maken om een volledige logische qubit te creëren.

Dit laat nog een andere uitdaging over, namelijk het netwerken van de logische qubits zodat ze quantumtoestanden kunnen delen en uitwisselen.

Pas dan kunnen we spreken van een echte quantumcomputer die routinematig kan worden gebruikt en, nog belangrijker, naar wens kan worden opgeschaald.

We hebben eerder een aantal technologieën en parallelle doorbraken besproken die de prestaties en architectuur van quantumcomputing kunnen verbeteren, naast het verbeteren van qubits, bijvoorbeeld:

• Nanomechanische resonatoren, om de kwantumtoestand beter te meten zonder de qubits te destabiliseren.
• Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive Element (SNAIL) resonator, om verder te gaan dan qubits die 0 & 1‑toestanden superponeren, en Continuous‑Variable (CV) quantumcomputing te ontwikkelen.
• Betere supergeleidende materialen, om de stabiliteit van quantumcomputingsystemen te verbeteren.

Al met al is Google’s doorbraak werkelijk baanbrekend en een radicale evolutie van de vooruitzichten voor quantumcomputing, met het eerste realistische doel voor een schaalbare commerciële computer.

Echter, zelfs de leider van het Quantum AI‑lab van Google, Hartmut Neven, herinnert ons eraan dat dit niet morgen gebeurt:

“Een chip die commerciële toepassingen kan uitvoeren, zal niet vóór het einde van het decennium verschijnen. Aanvankelijk zullen deze toepassingen de simulatie zijn van systemen waarbij kwantumeffecten belangrijk zijn.

Bijvoorbeeld, het is relevant voor het ontwerpen van kernfusie‑reactoren, voor het begrijpen van de werking van geneesmiddelen en farmaceutische ontwikkeling, voor het ontwikkelen van betere autobatterijen en een lange lijst van dergelijke taken.”

Toepassingen

Het potentieel van quantumcomputing is enorm en kan vrijwel elk wetenschappelijk gebied revolutioneren. Een aantal toepassingen springt eruit als bijzonder impactvol:

• Biochemische modellering: van het bepalen van de 3D‑structuur van een eiwit tot genexpressie, de berekening van complexe biologische moleculen tot op atomaire schaal, kan de biotechnologisch onderzoek revolutioneren.
• Klimaatmodellering: klimaatmodellen zijn buitengewoon complex en testen de grenzen van wat huidige supercomputers aankunnen. Een beter begrip van het klimaat, met een fijnere rekenresolutie in het model, zowel geografisch als temporeel, kan helpen bij het begrijpen van de risico’s van klimaatverandering.
• Halfgeleiders: quantumcomputers kunnen worden gebruikt om gewone computerchips veel krachtiger te maken. Nu “normale” chips de nanometerschaal bereiken, worden kwantumverschijnselen steeds problematischer, en kunnen quantumcomputers nodig zijn om ze op te lossen.
• Materiaalkunde: een beter begrip van de kwantumfysica en de reactie van materialen tot op individuele atomen kan nieuwe ontwerpen mogelijk maken voor materialen die worden gebruikt in de lucht‑ en ruimtevaart, batterijen, 3D‑printen, productie, enz.
• Cryptografie: quantumcomputers zouden potentieel alle huidige cryptografiemethoden kunnen verouderd maken. Dit is een ernstige zorg voor militaire, financiële en IT‑systemen. Maar tegelijkertijd zou het cryptografie nog veiliger kunnen maken.

Risico’s

Omdat quantumcomputing zo krachtig is, bestaat er ook een ernstig risico op misbruik. Het grootste risico betreft cryptografie.

Sinds de aankondiging van Google over Willow hebben verschillende commentatoren besproken hoe de mogelijkheid om alle bestaande cryptografie te breken verwoestend zou zijn voor cryptocurrencies zoals Bitcoin.

En in theorie is dit waar. Maar het is een nogal kortzichtige opmerking, meer gedreven door een reactie op de recente bull‑run van Bitcoin dan door het grote geheel te zien. Het breken van de cryptografie van computers en digitale systemen zou evenzeer de veiligheid en betrouwbaarheid van het gehele bank‑ en financiële systeem ondermijnen, niet alleen cryptomunten.

Het zou ook verwoestend zijn voor de wereldwijde geopolitieke stabiliteit en militaire veiligheid, aangezien alles van communicatie tot nucleaire lanceercodes afhankelijk is van veilige encryptie. Een volledig gebroken encryptie zou buitenlandse machten of kwaadwillenden in staat stellen om dergelijke beveiligingsapparaten volledig in de war te sturen.

Dit betekent niet dat er geen oplossingen zijn. Bijvoorbeeld, Apple (AAPL ) kondigde in februari 2024 aan dat de encryptie die iMessage‑chats beschermt, “quantum‑proof” wordt gemaakt om te voorkomen dat ze worden gelezen door krachtige toekomstige quantumcomputers. We kunnen aannemen dat als Apple overschakelt op quantum‑proof encryptie, dat ook de grootste militaire machten en financiële instellingen dat kunnen doen.

Gezamenlijk met een tijdlijn van meerdere jaren voordat zelfs een leider als Google een commerciële quantumcomputer heeft, staan we ver van een catastrofaal, onmiddellijk risico.

Quantumcomputingbedrijf

Zoals u heeft gezien, is Google zeer actief op het gebied van quantumcomputing, voornamelijk via zijn Google Quantum AI‑lab en het Quantum AI‑campus in Santa Barbara.

De quantumcomputer van Google schreef geschiedenis in 2019 toen Google beweerde “quantum supremacy” te hebben bereikt met zijn Sycamore‑machine, die een berekening uitvoerde in 200 seconden die een conventionele supercomputer 10.000 jaar zou kosten.

Dit wordt natuurlijk nu overschaduwd door de prestaties van Willow.

Maar misschien is de grootste bijdrage van Google in software, een activiteit waarin het een indrukwekkend track record heeft, zelfs beter dan in hardware (search, G Suite, Android, enz.).

Al biedt Google’s Quantum AI een reeks software die is ontworpen om wetenschappers te helpen bij het ontwikkelen van quantumalgoritmen.

It also openly advocates for “onderzoekers, ingenieurs en ontwikkelaars om zich bij ons aan te sluiten op deze reis door onze open‑source‑software en educatieve bronnen, inclusief onze nieuwe cursus op Coursera, waar ontwikkelaars de basisprincipes van kwantumfoutcorrectie kunnen leren en ons kunnen helpen algoritmen te creëren die de problemen van de toekomst kunnen oplossen.“

Dankzij deze open aanpak en nu ook leidend in hardware, plus zijn cloudoplossingen, zou Google waarschijnlijk een van de bedrijven kunnen zijn die de normen voor quantumcomputingsoftware en quantumprogrammering bepalen, waardoor het een bevoorrechte positie krijgt om te bepalen waar het vakgebied zich in de toekomst zal ontwikkelen.

En ondertussen zouden AI‑oplossingen, waaronder Waymo’s zelfrijdende auto, de nieuwe inkomstenbron voor Alphabet (GOOG ) kunnen worden, die nog steeds een massaal dominante positie heeft in de zoek‑ en advertentie‑industrieën.