Quantumcomputing bereikt onvoorwaardelijke exponentiële versnelling

Wat eerder alleen op papier werd geuit, is nu in de praktijk aangetoond. De belofte van quantumcomputing is in de realiteit gerealiseerd, aangezien ze klassieke computers exponentieel en onvoorwaardelijk verslaan¹.

Voor dit doel gebruikte een team van onderzoekers, geleid door Daniel Lidar, professor Electrical & Computing Engineering aan de USC Viterbi School of Engineering, slimme foutcorrectie en de krachtige 127-qubit processors van IBM die hen in staat stelden een variatie van Simon’s probleem aan te pakken, waarmee ze aantonen dat quantummachines nu losbreken van klassieke beperkingen.

Hoe quantumcomputing klassieke limieten en ruis overwint

Decennialang was klassieke computing de norm. Echter, in de recente jaren heeft quantumcomputing een aanzienlijke ontwikkeling doorgemaakt. 

Een opkomend gebied binnen de informatica, quantumcomputing maakt gebruik van de principes van de kwantumtheorie (die de aard en het gedrag van materie en energie op atomair en subatomair niveau verklaart) om de rekensnelheid dramatisch te verhogen.

Door kwantumfysica te benutten, streeft quantumcomputing ernaar problemen op te lossen die te complex zijn voor de klassieke computers die we dagelijks gebruiken. In feite kan quantumcomputing bepaalde complexe simulatieproblemen oplossen die zelfs een traditionele supercomputer honderden duizenden jaren zou kosten.

Het behalen van een echt algoritmisch voordeel ten opzichte van klassieke computers is een van de belangrijkste doelen van quantumcomputing om toekomstige doorbraken in chemie, cryptografie, optimalisatie en andere vakgebieden mogelijk te maken.

Dit vereist echter gespecialiseerde quantumcomputing‑hardware en algoritmen die profiteren van kwantumeigenschappen zoals superpositie en verstrengeling. Ook is ruis een groot probleem voor quantumcomputers.

Het aantonen van een algoritmisch voordeel ten opzichte van klassieke computers op de huidige onvolmaakte en ruisende quantumhardware blijft bovendien een uitdaging.

Ontwerpers zijn begonnen met het verkennen van nieuwe oplossingen zoals NISQ‑machines, maar deze noisy intermediate‑scale quantum (NISQ) apparaten functioneren op een relatief kleine schaal van enkele honderden qubits.

Daarnaast zijn ze vatbaar voor verminderde prestaties door decoherentie (het verlies van kwantumcoherentie, wat inhoudt dat informatie van een systeem naar de omgeving lekt) en besturingsfouten. 

Daarom ligt de focus op het versnellen van algoritmische quantumprocessen op deze apparaten, wat simpelweg een schaalvoordeel is. Terwijl verschillende van dit soort demonstraties zijn uitgevoerd, was de complexiteit van de gekozen problemen afhankelijk van ofwel de moeilijkheid van een beperkt aantal klassieke algoritmen of van complexiteitsveronderstellingen.

Onlangs werd een algoritmische quantumversnelling getoond die niet afhankelijk is van onbewezen aannames, in het oracle‑model. Dit werd aangetoond voor een Bernstein‑Vazirani‑algoritme, waargenomen op een IBM Quantum‑processor waarbij ongewenste ruis werd geëlimineerd via dynamische decoupling (DD), een veelgebruikte foutonderdrukkingsmethode voor NISQ‑apparaten. 

Nu pakt het onderzoeksteam van de University of Southern California het ruisprobleem aan door een variatie van Simon’s probleem te implementeren. Dit is een bekend voorbeeld waarbij, in theorie, quantumalgoritmen een taak exponentieel sneller kunnen oplossen dan hun klassieke tegenhangers, onvoorwaardelijk.

Simon’s probleem is een voorganger van Shor’s algoritme, dat de basis legde voor het veld van quantumcomputing. 

Het behoort ook tot de oorspronkelijke problemen waarvoor een exponentiële quantumversnelling is bewezen, zij het in het Oracle‑model. Het probleem vereist exponentiële tijd om op een klassieke computer op te lossen, maar op een ruisvrije quantumcomputer kost het slechts lineaire tijd, aangenomen dat Oracle‑queries worden geteld, zonder rekening te houden met de middelen die nodig zijn om het uit te voeren.

In dit probleem omvat de abelse verborgen subgroep de identiteit en een geheime string b, met als doel b te bepalen, dus in feite een verborgen herhalend patroon in een wiskundige functie vinden.

In eenvoudigere termen is het als een raadspel, waarbij de spelers een geheim getal moeten raden dat niemand kent behalve de spelhost, de “oracle”.

Het geheime getal wordt onthuld zodra een speler twee getallen raadt waarvoor de antwoorden van de oracle identiek zijn, en die speler wint. Vergeleken met klassieke spelers kunnen quantumspelers dit spel exponentieel sneller winnen. 

Onvoorwaardelijke quantumversnelling behalen

Om echt nieuwe materialen te ontdekken, codes te kraken en nieuwe medicijnen te ontwerpen met behulp van quantumcomputers door de berekeningen te versnellen, moeten ze functioneel zijn.

Maar zoals we hierboven al opmerkten, staan ruis of fouten in de weg. Fouten die tijdens berekeningen op een quantummachine ontstaan, maken quantumcomputers zelfs minder krachtig dan klassieke computers. Dat was tot nu toe.

Lidar van USC werkt aan quantumfoutcorrectie en heeft een exponentieel schaalvoordeel voor quantum op de cloud aangetoond.

Dit werd gedetailleerd beschreven in het artikel ‘Demonstration of Algorithmic Quantum Speedup for an Abelian Hidden Subgroup Problem’, waarin Lidar samenwerkte met collega’s van USC en Johns Hopkins.

“Er waren eerder demonstraties van bescheidener soorten versnellingen, zoals een polynomiale versnelling. Maar een exponentiële versnelling is het meest dramatische type versnelling dat we van quantumcomputers verwachten.”

– Lidar

De belangrijkste doorbraak voor quantumcomputing, volgens Lidar, is het aantonen dat we daadwerkelijk volledige algoritmen kunnen uitvoeren met een schaalvoordeel ten opzichte van onze algemene computers. Maar zoals hij verduidelijkte, betekent dat niet dat je dingen 100 × sneller kunt doen.

Wat een schaalvoordeel betekent, is dat “naarmate je de grootte van een probleem vergroot door meer variabelen toe te voegen, het gat tussen de quantum‑ en de klassieke prestaties blijft groeien. En een exponentiële versnelling betekent dat het prestatieverschil ongeveer verdubbelt voor elke extra variabele,” legt Lidar uit.

Hij stelde vervolgens dat de versnelling die het team heeft laten zien “onvoorwaardelijk” is. Dit betekent dat de versnelling niet afhankelijk is van onbewezen aannames. 

Eerdere claims over versnelling vereisten de veronderstelling dat er geen beter klassiek algoritme bestaat om het quantumalgoritme tegen af te zetten. 

Het team gebruikte hier een algoritme dat ze aanpasten voor de quantumcomputer om een variatie van “Simon’s probleem” op te lossen.

Om de exponentiële versnelling te bereiken, “is de sleutel om elke druppel prestaties uit de hardware te persen: kortere circuits, slimmere pulsenreeksen en statistische foutmitigatie,” merkte eerste auteur Phattharaporn Singkanipa, een doctoraalonderzoeker aan USC, op.

Het team bereikte dit op vier verschillende manieren. De onderzoekers beperkten eerst de gegevensinvoer door het aantal toegestane geheime getallen te beperken. Technisch gebeurt dit door het aantal enen in de binaire representatie van de set geheime getallen te limiteren. Dit leidde tot minder quantum‑logische bewerkingen dan anders nodig zou zijn, waardoor de kans op foutopbouw afnam.

Vervolgens comprimeerden ze de benodigde quantum‑logische bewerkingen via transpiling, een proces waarbij een gegeven invoer wordt herschreven om te passen bij de topologie van een specifiek quantumapparaat.

Daarna werd een methode genaamd “dynamische decoupling” toegepast, die de grootste impact had op het vermogen van de onderzoekers om een quantumversnelling te demonstreren. Deze methode houdt in dat zorgvuldig ontworpen pulsenreeksen worden toegepast om het gedrag van een qubit te scheiden van zijn rumoerige omgeving en de quantumverwerking op koers te houden.

Ten slotte pasten de onderzoekers measurement error mitigation (MEM) toe om bepaalde fouten te vinden en te corrigeren. Het doel van deze stap is om fouten die door dynamische decoupling zijn achtergelaten, te rectificeren vanwege imperfecties bij het meten van de toestand van de qubits aan het einde van het algoritme.

De weg naar quantum‑utility banen

Met quantumcomputing die aanzienlijke voordelen biedt in sectoren zoals logistiek, materiaalkunde, financiële modellering, AI en cyberbeveiliging door kwantummechanische fenomenen te benutten om complexe problemen op te lossen, ziet de markt significante bijdragen en groei.

De gemeenschap heeft ook laten zien hoe quantumprocessoren hun klassieke tegenhangers kunnen overtreffen in gerichte taken.

“Ons resultaat toont aan dat de quantumcomputers van vandaag stevig staan aan de kant van een schaalbaar quantumvoordeel.” zei Lidar, die tevens professor Chemie en Fysica is aan de USC Dornsife College of Letters, Arts and Science en mede‑oprichter van Quantum Elements, een bedrijf dat de weg naar quantum‑utility op schaal baant en gebruikers verbindt met quantumcomputers.

Een paar maanden geleden rapporteerde het Quantum Elements‑team een doorbraak². Hun nieuwe techniek, logical dynamical decoupling, pakt logische fouten aan, een constante uitdaging in quantumcomputing.

Het team toonde aan hoe deze specifieke aanpak fouten voorkomt die traditionele foutcorrectiecodes niet kunnen aanpakken, terwijl het toch een beperkt qubit‑voetafdruk behoudt. 

Ze combineerden foutcorrectie met logical dynamical decoupling, waardoor ze de fideliteit van verstrengelde logische qubits aanzienlijk verbeterden, waardoor praktische quantumtoepassingen nog dichter bij realiteit komen.

Met het nieuwste onderzoek zei Lidar: “Het quantum‑prestatievoordeel wordt steeds moeilijker te betwisten,” omdat de prestatiekloof niet kan worden teruggedraaid aangezien de aangetoonde exponentiële versnelling “onvoorwaardelijk” is.

De studie toont een onmiskenbare algoritmische quantumversnelling voor een beperkte Hamming‑weight (HW) versie van het probleem met twee verschillende IBM Quantum‑processors. De onderzoekers vonden een verbeterde quantumversnelling wanneer de berekening werd beschermd door DD. Het gebruik van MEM versterkte het schaalvoordeel verder.

MEM en dynamische decoupling werden gebruikt voor foutonderdrukking en aangepast om het probleem geschikt te maken voor echte quantumapparaten. Ze hielpen de kwantum‑coherentie te behouden en de nauwkeurigheid te verbeteren ondanks hardware‑beperkingen. 

Met hun experimenten hebben de onderzoekers NISQ‑algoritmen een stap dichter bij een demonstratie van quantumversnelling via Shor’s algoritme gebracht en de sleutelrol van quantum‑foutonderdrukkings‑technieken in zo’n demonstratie benadrukt.

Het demonstreren van een exponentiële versnelling bij het oplossen van het probleem op daadwerkelijke quantumhardware, volgens de onderzoekers, is “een belangrijke mijlpaal voor het veld.” Naast het overbruggen van de kloof tussen theorie en praktijk, benadrukken hun resultaten ook de groeiende mogelijkheden van huidige quantumprocessoren. De studie merkte op:

“Naarmate de hardware blijft verbeteren, effent onze aanpak de weg voor nog krachtigere demonstraties van quantumvoordeel in de nabije toekomst.” 

Ondanks dit alles zijn er nog geen praktische toepassingen van de technologie buiten het winnen van raadspellen. Dit was ook het geval voor andere doorbraken in het veld.

“We hebben een ChatGPT‑moment nodig voor quantum,” zei Francesco Ricciuti, associate bij VC‑firma Runa Capital, tegen CNBC in december toen Google de nieuwe chip onthulde die volgens hen een grote doorbraak in quantumcomputing markeert.

Google’s quantumchip heet Willow, heeft 105 qubits en kan naar verluidt fouten “exponentieel” verminderen naarmate het aantal qubits wordt opgeschaald. Deze “breekt een sleuteluitdaging in quantumfoutcorrectie die het veld bijna 30 jaar heeft nagestreefd,” zei Hartmut Neven, oprichter van Google Quantum AI.

Willow voerde een berekening uit die de snelste supercomputers van vandaag 10 septiljoen jaar zou kosten, in minder dan vijf minuten.

“Ze proberen een echt hoog probleem voor normale computers te definiëren dat ze met quantumcomputers kunnen oplossen. Het is verbazingwekkend dat ze dat kunnen, maar het betekent niet per se dat het nuttig is,” zei Ricciuti destijds.

Zelfs Google gaf toe dat hun RCS‑benchmark “geen bekende real‑world toepassingen” heeft en dat de “wetenschappelijk interessante simulaties van kwantumsystemen” die ze hebben uitgevoerd en die tot nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen leidden, “nog steeds binnen het bereik van klassieke computers” liggen.

De tech‑gigant werkt echter aan algoritmen die niet alleen buiten het bereik van klassieke computers liggen, maar ook “bruikbaar zijn voor echte, commercieel relevante problemen.”

Eerder dit jaar zei Julian Kelly, directeur hardware bij Google Quantum AI, dat we mogelijk “vijf jaar verwijderd zijn van een echte doorbraak, een praktisch toepasbare oplossing die alleen op een quantumcomputer kan worden opgelost.”

Nvidia‑CEO Jensen Huang gelooft ook dat quantumcomputing “een buitengewone impact kan leveren,” maar merkt op dat de technologie “krankzinnig complex” is.

Volgens Lidar “moet er nog veel meer werk worden verzet voordat quantumcomputers kunnen beweren een praktisch real‑world probleem te hebben opgelost.” En dat zou versnellingen vereisen die niet afhankelijk zijn van orakels die het antwoord van tevoren kennen. Bovendien moeten we aanzienlijke vooruitgang boeken in methoden om decoherentie en ruis verder te verminderen. 

Desondanks, door exponentiële versnellingen te demonstreren, die voorheen slechts een “op‑papier belofte” van quantumcomputers waren, hebben onderzoekers een belangrijke mijlpaal bereikt die het vieren waard is.

Investeren in quantumtechnologie

Nu quantumcomputers een grote sprong voorwaarts maken in rekenkracht, ontwikkelen tal van laboratoria, universiteiten, bedrijven en overheidsinstanties wereldwijd quantumcomputing‑technologie. 

Dus, als het gaat om investeringskansen, hebben we Amazon (AMZN ), Intel (INTC ), en Microsoft (MSFT ) onder andere die actief de ruimte verkennen. Maar vandaag bekijken we het investeringspotentieel van IBM (IBM ), een pionier in quantumhardware. 

International Business Machines Corporation (IBM )

IBM’s 127‑qubit processors werden gebruikt in het USC‑experiment zelf. Eind november 2021 onthulde IBM voor het eerst deze processor, genaamd Eagle, die volgde op de 65‑qubit ‘Hummingbird’ processor die in 2020 werd gelanceerd en de 27‑qubit ‘Falcon’ processor een jaar daarvoor.

USC is eigenlijk een IBM Quantum Innovation Center, terwijl Quantum Elements een startup is in het IBM Quantum Network.

Voor gerichte inspanningen in het veld heeft het bedrijf een toegewijd platform, IBM Quantum, dat erop gericht is de eerste grootschalige fouttolerante quantumcomputer te bouwen. De tech‑gigant streeft ernaar een systeem te leveren dat tegen 2029 nauwkeurig 100 miljoen poorten op 200 logische qubits kan uitvoeren. Met dit systeem zal IBM “de eerste levensvatbare weg ontsluiten om de volledige kracht van quantumcomputing te realiseren.”

IBM bouwt deze quantumcomputer genaamd “Starling” op haar campus in New York, en deze zal een diep, fout‑gecorrigeerd circuit ondersteunen. Volgens de roadmap plant het bedrijf ook een nieuwe IBM Quantum Nighthawk‑processor die later dit jaar wordt uitgebracht.

Afgelopen maand implementeerde het een Quantum System Two in een onderzoekscentrum in Japan. En deze week nam de tech‑gigant deel aan de $26 miljoen financieringsronde van startup Qedma, waarbij de CEO verwacht dit jaar “met vertrouwen te demonstreren dat het quantumvoordeel hier is.” Qedma is al beschikbaar via IBM’s Qiskit Functions Catalog, dat quantum toegankelijk maakt voor eindgebruikers.

Hoewel het toonaangevend is in quantum‑technologie, staat het bedrijf vooral bekend om zijn cloud‑, AI‑ en consultancy‑expertise, die het levert via de segmenten Software, Consulting en Infrastructure.

Als we kijken naar IBM’s marktprestaties, handelt het bedrijf met een marktkapitalisatie van $268,6 miljard en worden de aandelen op het moment van schrijven verhandeld tegen $289, een stijging van 30,85 % YTD. IBM‑aandelen hebben de afgelopen drie jaar een mooie stijging van 145 % doorgemaakt terwijl het nieuwe hoogtepunten bereikte en zich positioneert als leverancier van next‑gen enterprise‑technologie.

Het heeft een EPS (TTM) van 5,85, een P/E (TTM) van 49,81 en een ROE (TTM) van 21,95 %. Het dividendrendement voor aandeelhouders is ondertussen een aantrekkelijke 2,31 %.

Wat de financiële prestaties betreft, rapporteerde IBM een omzetstijging van 1 % tot $14,5 miljard voor het eerste kwartaal van 2025. De GAAP‑brutomarge bedroeg 55,2 % en de non‑GAAP‑brutomarge 56,6 %. De netto‑kasstroom uit operationele activiteiten bedroeg $4,4 miljard, terwijl de vrije kasstroom $2 miljard was.

CEO Arvind Krishna schreef de omzet‑, winst‑ en vrije‑kasstroom‑resultaten toe aan “sterke vraag naar generatieve AI,” waarbij IBM “optimistisch blijft over de langetermijn‑groeikansen voor technologie en de wereldeconomie.”

Laatste IBM‑aandelen‑nieuws en ontwikkelingen

Conclusie

Het demonstreren van een algoritmische quantumversnelling, die schaalt met de grootte van het probleem, is cruciaal om de bruikbaarheid van quantumcomputers vast te stellen. Dus, de demonstratie van een onvoorwaardelijke, exponentiële versnelling markeert een keerpunt in quantumcomputing, waarmee wordt bewezen dat de apparaten van vandaag zich kunnen losmaken van klassieke limieten. 

Deze prestatie van onderzoekers vergroot aanzienlijk de reikwijdte van quantumversnellingen voor orakel‑algoritmen, breidt de grens van empirische quantum‑voordeelresultaten uit, en wijst op praktisch relevante algoritmen die eindelijk binnen bereik komen.

Al met al is de reis van quantumcomputers naar praktische, alledaagse toepassingen nog steeds in ontwikkeling, met voortdurende verbeteringen om de volledige kracht van quantumtechnologie te ontgrendelen!

Klik hier voor een lijst van top quantumcomputing‑bedrijven.

Studies geraadpleegd:

1. Singkanipa, P.; Kasatkin, V.; Zhou, Z.; Quiroz, G.; Lidar, D. A. Demonstration of Algorithmic Quantum Speedup for an Abelian Hidden Subgroup Problem. Phys. Rev. X 2025, 15 (2), 021082. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.15.021082
2. Vezvaee, A.; Tripathi, V.; Morford-Oberst, M.; Butt, F.; Kasatkin, V.; Lidar, D. A. Demonstration of High-Fidelity Entangled Logical Qubits using Transmons. arXiv 2025, arXiv:2503.14472. https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.14472