Opsluiting zou de oorzaak zijn dat een kwantumprobleem makkelijk is op te lossen met een digitale computer (afb: Flatironinstituut)

Telkens als de kwantumcomputer ter sprake komt gaat het over verbazing-wekkende dingen die zo’n kwantum-rekentuig kan, maar de vraag is of die hoge verwach-tingen ook echt uitkomen (en ten koste van wat?). Nu duikt er een verhaal op waar de aloude digitale het kwantumgenie heeft verslagen. Hoe een klassiek rekentuig een kwantumcomputer versloeg in zijn eigen terrein.
Eerder dit jaar kondigden onderzoekers van het centrum voor kwantumrekenen van het Flatironinstituut (CCQ) aan dat ze met succes een klassieke computer en geavanceerde wiskundige modellen hadden gebruikt die het stukken beter deed dan een ​​kwantumcomputer in een taak waarvan gedacht dat alleen kwantumcomputers die konden oplossen.
Het ging om een tweedimensionaal (=plat) kwantumsysteem van omklappende magneten, dat een gedrag vertoont dat opsluiting. Dit gedrag was eerder alleen waargenomen in van vastestof in eendimensionale systemen.
We zullen onze ideeën over de grens tussen wat klassieke digitale systemen kunnen en wat kwantumrekentuigen vermogen dus moeten bijstellen en ik(=as) durf te voorspellen dat dit niet de laatste keer is. “Er is een grens die scheidt wat er met kwantumcomputers kunnen en wat klassieke computers. Nu is die grens ongelooflijk vaag. Ik denk dat ons werk helpt die grens wat duidelijker te maken”, zegt Joseph Tindall van het CCQ.

Kinderschoenen

Kwantumtechnologie staat natuurlijk nog in de kinderschoenen en moet nog steeds overtuigend aantonen beter te zijn dan digitale computers. Nog steeds is niet duidelijk waar kwantumcomputers een voorsprong zouden kunnen hebben, maar onderzoekers proberen te achterhalen waar de digitale rekentuigen het afleggen

Vorig jaar beweerden IBM-onderzoekers in Nature dat een simulatie met omklappende magneten alleen te doen is met een kwantumcomputer. Tindall heeft die uitdaging aangenomen en hun ongelijk bewezen (neem ik aan; as).
Hij heeft de afgelopen jaren met collega’s samengewerkt om betere algoritmen te ontwikkelen voor het oplossen van complexe kwantumproblemen met klassieke computers. Hij paste deze methoden toe op de simulatie van IBM en in slechts twee weken bewees hij dat hij het probleem kon oplossen met heel weinig computerkracht. Het kon zelfs op een telefoon.

“We hebben niet echt geavanceerde technieken geïntroduceerd”, zegt Tindall. “We hebben veel ideeën op een beknopte en elegante manier samengebracht, waardoor het probleem oplosbaar werd. Het was een methode die IBM over het hoofd had gezien en die niet gemakkelijk kon worden uitgevoerd zonder goed geschreven programmatuur.”

Tindall en zijn collega’s publiceerden hun bevindingen maar Tindall stopte daar niet. Geïnspireerd door de eenvoud van de resultaten gingen hij en zijn co-auteur Dries Sels van het Flatironinstituut en de universiteit van New York op zoek naar de oorzaak waardoor dit systeem zo eenvoudig kon worden opgelost met een klassieke computer, terwijl het op het eerste gezicht een zeer complex probleem leek.

“We begonnen na te denken over hoe dat kon en merkten een aantal overeenkomsten op in het gedrag van het systeem met iets dat mensen in één dimensie hadden gezien, namelijk opsluiting (in de Nederlandse Wikipedia die ‘confinement’ genoemd, maar die heeft betrekking op quarks; as)”, zegt Tindall.
In de oorspronkelijke opstelling wezen de magneten allemaal in dezelfde richting. Het systeem werd vervolgens verstoord door een klein magneetveld, waardoor sommige magneten wilden omklappen, wat ook naburige magneten aanzette om om te klappen.
Dit gedrag, waarbij de magneten elkaars omkeren beïnvloeden, kan leiden tot verstrengeling, een koppeling van de superposities van de magneten. Na verloop van tijd maakt de toegenomen verstrengeling van het systeem het moeilijk voor een klassieke computer om de situatie te simuleren.

In een gesloten systeem is er echter maar een beperkte hoeveelheid energie beschikbaar. In hun gesloten systeem lieten Tindall en Sels zien dat er alleen genoeg energie was om kleine, spaarzaam gescheiden plukjes van oriëntaties om te klappen, wat de toename van verstrengeling direct beperkte. Deze energetische beperking van verstrengeling staat bekend als ‘opsluiting’.
“In dit systeem zullen de magneten niet zomaar omklappen. Ze zullen gewoon rond hun oorspronkelijke staat oscilleren, zelfs op zeer lange tijdschalen,” zegt Tindall. “Het is vrij interessant vanuit een natuurkundig perspectief, omdat het betekent dat het systeem in een staat blijft die een heel specifieke structuur heeft en niet gewoon volledig ongeordend is.”

Toevallig had IBM in hun eerste test een probleem opgezet waarbij de ‘organisatie’ van de magneten in een gesloten tweedimensionale reeks leidde tot opsluiting. Tindall en Sels realiseerden zich dat de opsluiting van het systeem de hoeveelheid verstrengeling verminderde, waardoor het probleem eenvoudig genoeg bleef om met klassieke methoden te beschrijven. Met behulp van simulaties en wiskundige berekeningen kwamen Tindall en Sels met een eenvoudig maar nauwkeurig wiskundig model dat dit gedrag beschrijft.

Verstrengeling

“Een van de grote open vragen in de kwantumfysica is het begrijpen wanneer verstrengeling snel toeneemt en wanneer niet”, zegt Tindall. “Dit experiment geeft ons een goed begrip van een voorbeeld waarbij we geen grootschalige verstrengeling kregen vanwege het gebruikte model en de tweedimensionale structuur van de kwantumprocessor.”

De resultaten suggereren dat opsluiting zelf zou kunnen voorkomen in een reeks tweedimensionale kwantumsystemen. Als dat zo is, biedt het wiskundige model dat Tindall en Sels ontwikkelden een goed hulpmiddel om de natuurkunde in die systemen te begrijpen. Bovendien kan de programmatuur die in het artikel is gebruikt een ‘ijkpunt’ bieden voor experimentele wetenschappers om te gebruiken bij het ontwikkelen van nieuwe computersimulaties van andere kwantumproblemen.

Bron: phys.org