Quantum computers komen eraan, alleen weet niemand exact wanneer. Google en Nasa claimen dat zij nu al enorme prestatiewinst boeken: tot wel honderd miljoen keer sneller presteren. Maar deze sprong is beperkt.
De Amerikaanse internetreus en de ruimtevaartorganisatie werken samen op meerdere vlakken. Daaronder bevinden zich vastgoed, maar ook wetenschappelijk onderzoek. De samenwerking tussen Google en Nasa omvat ook futuristische gebieden zoals autonome ruimterobots en quantum computing. Voor laatstgenoemde hebben de twee enkele maanden terug het nieuwste 2X-model van quantum computerfabrikant D-Wave in huis gehaald.
Duizend qubits inside
De Canadese pionier D-Wave heeft dat model afgelopen zomer onthuld en gaat daarmee prat op een machine met maar liefst 1097 qubits erin. Een qubit is de quantummecahnische tegenhanger van een reguliere bit bij hedendaagse computers. De 2X heeft een prijskaartje van zo’n tien miljoen euro (omgerekend van vijftien miljoen Canadese dollars). Google en Nasa hebben de X2 aangeschaft in het kader van een meerjarige onderzoeksovereenkomst, waarbij ook andere onderzoeksinstituten toegang krijgen tot de quantum computer.
De installatie bij het Quantum Artificial Intelligence Lab van Google en Nasa is sinds kort operationeel. Begin december is een openbare presentatie en rondleiding gegeven in het lab te Californië. Daarbij hebben de twee principiële uitbaters van de quantum computer indrukwekkende prestatiecijfers vrijgegeven. De D-Wave 2X kan bepaalde berekeningen wel honderd miljoen keer sneller uitvoeren dan mogelijk is met reguliere computers.
Optimalisatietaken
De crux zit ‘m in ‘bepaalde toepassingen’. De enorme prestatiesprong van honderd miljoen keer sneller geldt voor zeer gespecialiseerde rekentaken. In dit geval gaat het om een optimalisatieprobleem waarbij 945 binaire variabelen worden doorgerekend. Verder is de vergelijking getrokken met een conventionele computer die een single-core processor heeft, meldt Ars Technica. De kop bij Ars van ‘honderd million keer sneller dan een normale pc’, is dan ook enigszins een simplificatie aangezien normale pc’s allang dual- of multicore zijn.
Toch is de prestatiewinst reëel, zij het dus voor bepaalde toepassingen. Google en Nasa hebben ook de quantum annealing-capaciteiten van de 2X vergeleken met een speciaal algoritme (vallend onder Quantum Monte Carlo) dat quantum tunnelling emuleert op een conventionele computer. Ook daar is in enkele gevallen een versnelling van tien tot de macht acht behaald. De quantum-onderzoekers van Google noemen deze resultaten ‘intrigerend en zeer aanmoedigend’.
Nog te nemen hordes
Daarbij wordt gelijk de kanttekening gemaakt dat er nog zeker werk voor de boeg ligt om van quantum computing voor optimalisatietaken een praktisch bruikbare technologie te maken. Daarvoor liggen er nog diverse uitdagingen, zoals het verhogen van de dichtheid en accuraatheid van de verbindingen tussen de qubits. Verder streven de onderzoekers er ook naar om de samenhang van de qubits te verbeteren.
Deze opmerkingen komen overeen met bevindingen van processorproducent Intel die recent een grote quantumsamenwerking heeft gesloten met Qutech aan de TU Delft. Jim Clarke, manager bij Intel voor onderzoek naar quantum- en nieuwe geheugentechnieken, vertelde Computable eind november over het quantum-werk-in-uitvoering. ‘De uitdaging voor quantum computing is niet het maken één qubit, maar het maken van miljoenen qubits.’
Vluchtig
De topman legt uit dat Intel in de samenwerking met het Delftse onderzoeksinstituut ook de eigen expertise voor massaal ontwerp en productie meebrengt. ‘Een universiteit maakt wel eens een transistor, maar wij hebben uitgebreide ervaring met de massaproductie van grote aantallen transistors.’ Clarke vertelt dat de rekenkracht van een quantum computer exponentieel toeneemt met het aantal qubits. Een praktisch probleem daarbij is dat qubits ‘vluchtig’ zijn: ‘Ze zijn erg fragiel.’
Verder voorziet Clarke dat quantum computers geen vervangers zullen zijn voor wat hij de klassieke computers noemt. Daarvoor zijn de fundamentele verschillen tussen de twee te groot. De Intel-topman trekt de vergelijking met de verschillende vervoersmiddelen raketten en auto’s; die dienen elk voor heel andere doelen. De onderzoekers bij Google en Nasa zien dat ook. Daar spelen echter dermate grote en complexe rekentaken dat die niet zinnig of tijdig zijn uit te voeren op traditionele supercomputers.
Machine learning, websearch
‘Systemen die quantum-effecten gebruiken, bieden een gelegenheid om zulke problemen op te lossen’, stelt Nasa-directeur Rupak Biswas van het onderzoekscentrum. Daarnaast wil Google quantum computing inzetten voor machine learning, complexe planning en scheduling, en ook de zware taak van websearch. Daar werkt de internetreus al enige tijd aan, waarbij het ook eigen hardware ontwikkelt.
Quantum Computing is onderdeel van Randomized Computing, waarvan op dit moment al vele erg interessante applicaties operationeel zijn. In het algemeen geldt dat randomized algoritmes simpeler te ontwerpen zijn dan deterministische. Randomness is een goede substitutie voor ‘slimheid’. Van vele randomized applicaties is geen deterministische variant bekend.