Warning: Undefined array key "bio" in /home/techwatch/domains/test.bits-chips.nl/public_html/wp-content/plugins/wpcodebox2/src/Runner/QueryRunner.php(126) : eval()'d code on line 13
Author:
Reading time: 5 minutes
Kwantumcomputers zullen altijd last hebben van ruis. De individuele deeltjes of microstructuren die kwantummechanisch gedrag vertonen, zijn nu eenmaal gevoeliger voor verstoring dan macrostructuren. CWI-promovendus Falk Unger wilde weten met hoeveel ruis een kwantumcomputer nog perfect kan blijven werken. Dat leidde uiteindelijk ook tot een foutmarge voor klassieke computers.
Ondanks een decennium aan onderzoek zal het nog wel even duren voordat de eerste succesvolle kwantumcomputer is gebouwd, als die er al komt. Een van de problemen is dat alles wat zich kwantummechanisch gedraagt en dus als qubit kan dienen – fotonen, ionen, nanostuctuurtjes – ontzettend klein is. Op die schaal neemt de gevoeligheid voor fouten sterk toe, zowel bij het manipuleren en meten als bij de intrinsieke status. ’Bij kwantumcomputers is er eigenlijk geen manier om ruis te voorkomen‘, zegt Falk Unger, promovendus bij het Centrum voor Wiskunde en Informatica (CWI).
Gelukkig zijn foutcorrecties mogelijk. ’Het gaat erom informatie uit te spreiden over je hele circuit, zodat elke bit min of meer aanwezig is in verschillende gates. Met die informatie zijn in principe fouten op te sporen en te corrigeren.‘ Mits het aantal foutieve schakelingen niet te groot wordt. Hóe groot is alleen niet bekend. ’We hadden onder- en bovengrenzen, maar die liggen ver uit elkaar. Op dit moment weten we alleen dat je boven de 36 procent fouten zeker niet meer kunt compenseren en dat het met een part per million zeker wel kan‘, zegt de uit Duitsland afkomstige Unger. Maar een schatting is maar een schatting en die ondergrens ligt ver onder wat haalbaar is in het laboratorium. Unger ging met zijn collega‘s voor zijn promotie op zoek naar de precieze waarde. ’Die is niet direct gevonden, maar we hebben de marges wel veel nauwkeuriger gemaakt.‘
8,9 procent
Unger moest een waaier van modellen opstellen om de antwoorden te vinden. ’Het is nog lang niet duidelijk welke techniek gebruikt zal worden voor een kwantumcomputer, dus je moet voor elke technologie kijken welke fouten een rol spelen en daar het model op aanpassen.‘ Bij sommige systemen kan bijvoorbeeld de instabiliteit van de opgeslagen waarde bijna de volledige bron van ruis zijn, terwijl bij andere methoden de verstoringen tijdens de manipulatie juist een grote rol spelen.
Unger begon met het eenvoudigste geval van fouten in kwantumschakelingen. ’Daarbij is de verzonden informatie altijd gegarandeerd goed. De fout kan zijn dat de gestuurde bit niet aankomt, maar je weet het wel altijd als dit gebeurt. Je weet het dus altijd als er een fout optreedt.‘ Dit werk heeft beperkte praktische toepasbaarheid en was vooral bedoeld als opwarming voor Unger. Vervolgens breidde hij uit met geloofwaardigere modellen. ’Voor verschillende situaties hebben we absolute bovengrenzen bepaald. We vermoeden wel dat de daadwerkelijke waarden een stuk kleiner zijn, maar dat kunnen we niet bewijzen.‘
Het werk aan kwantumcomputers bleek verrassend genoeg ook relevant voor klassieke circuits, met wat schaafwerk. Chipcomponenten worden zo klein dat op den duur slechts een klompje moleculen overblijft. Daardoor neemt de ruis sterk toe. ’Op een gegeven moment merkte ik dat het niet precies bekend was hoe groot de foutmarge mag zijn bij klassieke computers. Dat was alleen bekend voor schakelingen met één uitgang en een oneven aantal ingangen‘, vertelt Unger. Maar in de computerwereld regeert bouwblokken met twee inputs, zoals transistoren en Nand-gates. ’Je moet wel een ander formalisme gebruiken, maar de ideeën zijn voor klassieke en kwantumcomputing hetzelfde. Het gaat allemaal om informatiestromen in circuits. In feite kun je zeggen dat elke klassieke gate een soort weinig krachtige kwantumgate is.‘ En uit dat werk rolde wel een precies getal: 8,9 procent. (Voor wie geïnteresseerd is in de afleiding hiervan: het proefschrift is te downloaden van Ungers homepage.) ’Als het aantal fouten boven dit percentage komt, kun je doen wat je wilt, maar dan is het theoretisch niet meer mogelijk om ervoor te compenseren. En daaronder in theorie nog wel. De methode om tot 8,9 procent aan fouten te compenseren, was al langer bekend. We wisten alleen niet dat het onmogelijk is om te rekenen met meer ruis.‘ Daarmee zet het werk gelijk ook een limiet voor de wet van Moore: ’Het toont dat chipontwerpers de afmetingen van de gates slechts kunnen verkleinen tot een niveau dat ze minder dan 8,9 procent ruis hebben.‘
Verdachte
Unger, die ondertussen aan de University of California Berkeley als postdoc aan de slag is gegaan met vergelijkbaar onderzoek, keek ook nog naar een heel ander onderwerp. ’Dat heeft te maken met kwantumverstrengeling. Dit was meer theoretisch, echt fundamenteel onderzoek naar kwantummechanica.‘ Het betreft interactieve bewijssystemen, een onderwerp uit de informatica. ’Ik heb het opgeschreven in de taal van de computerwetenschappen, want daar kom ik vandaan en die taal helpt je beter om een beeld te vormen van de natuurlijke wereld.‘
’In bewijssystemen proberen spelers een andere speler ervan te overtuigen dat zij het antwoord weten, zonder het antwoord te vertellen. Het is nog het beste te vergelijken met de politie die een verdachte ondervraagt‘, zegt Unger. ’Die krijgt geen bewijs over wat er is gebeurd, maar wel of de verdachte de waarheid spreekt als de antwoorden consequent zijn en geen tegenstrijdigheden bevatten. Die techniek is te verbeteren door twee verdachten in aparte kamers te zetten en hun dezelfde vragen te stellen. Ze kunnen dan wel elk apart consistente verhalen vertellen, maar die moeten ook met elkaar overeenkomen. De vraag waar ik aan werkte, is wat er gebeurt als die twee verdachten kwantumverstrengeling delen.‘
’Voor sommige speltypes, de zogenaamde kwantum-Xor-spellen, blijkt het niet nodig te zijn om een langdurig gesprek aan te gaan met de twee spelers, waar de oordeler eerst de ene speler een vraag stelt, dan de tweede, dan weer de eerste, enzovoorts, totdat hij zich zeker genoeg voelt om een oordeel te vellen. Met andere woorden: de politie hoeft niet heen en weer te rennen tussen de verhoorkamers om de verdachten steeds een vraag te stellen. In plaats daarvan is het mogelijk om eerst de ene en dan de andere verdachte te ondervragen.‘
