Maak kennis met een kwantumcomputer: een ionenval in een vacuümkamer werd in een grote metalen container geplaatst, die de ionen beschermt tegen magnetische ruis. Foto: Freddy Pizanti / Weizmann Institute
Het bouwen van een werkende kwantumcomputer is zo'n ontmoedigende onderneming dat velen geloven dat het alleen voor technische reuzen en superkrachten is, iets op een schaal die buiten het bereik van Israël ligt.
Prof. Roee Ozeri van het Weizmann Institute of Science is anders: “Een van 's werelds eerste computers, WEIZAC, werd hier in de jaren vijftig gebouwd, toen Israël alleen nog maar moerassen en kamelen had. Tegenwoordig is Israël een technologisch imperium; er is geen reden waarom we geen koplopers zouden moeten zijn in de kwantumcomputerrace.”
Prof. Roee Ozeri. Foto: Yael Ilan / Weizmann Institute
In een project dat vandaag in PRX Quantum wordt gerapporteerd, is het team van Ozeri erin geslaagd een kwantumcomputer te bouwen - een van de ongeveer 30 van dergelijke machines in de wereld, en een van de minder dan 10 die vertrouwen op een geavanceerde technologie die bekend staat als ionenvallen. Een nog grotere computer is al in de maak in Ozeri's lab, en deze heeft al een naam: als eerbetoon aan WEIZAC, ingehuldigd in Weizmann in 1955, zijn de wetenschappers van plan hem WeizQC te noemen.
Quantum computers beloven een computationele complexiteit te bereiken die zelfs met de krachtigste klassieke computers ondenkbaar is. Dit niveau van bekwaamheid staat bekend als het 'kwantumvoordeel'. Het moet een hele reeks toepassingen opleveren, van het ontwerpen van onbreekbare codes en het voorspellen van marktfluctuaties tot het versnellen van de ontwikkeling van nieuwe medicijnen, materialen en kunstmatige-intelligentiesystemen.
Dat komt omdat in tegenstelling tot de huidige computers, die worden beperkt door de grenzen van de klassieke fysica, kwantumcomputers een geheel andere reeks wetten gehoorzamen - die van de kwantummechanica, die de microscopische wereld beheersen. In onze vertrouwde wereld kunnen mensen, katten of zelfs bits, de basiseenheden van informatie in klassieke informatica, maar op één plaats tegelijk zijn. Daarentegen kwantum bits, bekend als qubits,
Ozeri werd zo'n 15 jaar geleden een pionier op het gebied van quantum computing-onderzoek in Israël nadat hij terugkeerde uit de Verenigde Staten, waar hij zijn postdoctorale studies had uitgevoerd onder leiding van Nobelprijswinnaar David Wineland. "Toen werd kwantumcomputing gedaan in universitaire laboratoria", zegt Ozeri. "Maar in het afgelopen decennium hebben commerciële bedrijven zoals Google, Amazon en IBM zich aangesloten bij de race om een kwantumcomputer te bouwen, terwijl de Verenigde Staten, China en de Europese Unie massaal gefinancierde strategische programma's startten om het veld vooruit te helpen."
Optische elementen die nodig zijn om laserpulsen te creëren die ingesloten ionen kunnen controleren. Foto: Freddy Pizanti / Weizmann Institute
Ondanks deze uitbreiding van het onderzoek blijven er aanzienlijke uitdagingen. Een van de grootste obstakels is de extreme gevoeligheid van kwantumcomputers voor omgevingsgeluid, die het bouwen van grote, complexe systemen in de weg staat. In een project onder leiding van Dr. Tom Manovitz en onderzoeksstudent Yotam Shapira, pakte het team van Ozeri deze uitdaging aan door twee innovaties te introduceren, beide met succes geïmplementeerd in de kwantumcomputer die de onderzoekers in hun laboratorium hebben gebouwd.
Pas op, het is een val
De computers van vandaag zijn allemaal afhankelijk van dezelfde basis hardware, maar op het gebied van kwantumcomputing strijden nog steeds verschillende technologieën om de toppositie. Tot de leidende deelnemers behoren ionenvallen, systemen waarin elk ion, dat wil zeggen elk elektrisch geladen atoom, een enkele qubit vertegenwoordigt.
Net zoals gewone bits kunnen bewegen tussen twee toestanden, 0 en 1, zo kunnen op ionen gebaseerde qubits schakelen tussen verschillende toestanden, gedefinieerd door verschillende vliegroutes van een elektron rond de atoomkern. In plaats van standaard elektronica wordt qubit-switching in een ionenval met lasers gedaan.
Deze op qubits gebaseerde bewerkingen worden logische poorten genoemd. Complexe berekeningen vereisen poorten met meer dan één qubit, maar dergelijke bewerkingen zijn gevoelig, en zelfs het kleinste omgevingsgeluid zal ervoor zorgen dat het systeem zijn kwantumkarakter verliest. Om dit te voorkomen,
Maar zelfs als de poorten robuust zijn, kan de hoge gevoeligheid van het systeem ervoor zorgen dat het fouten accumuleert die het kwantumkarakter ervan dreigen teniet te doen. Om een fout te corrigeren, moet men deze eerst vinden, een taak waarvoor het meten van de qubits vereist is. Maar er is een addertje onder het gras: meten is een invasieve handeling die onvermijdelijk leidt tot het verlies van de kwantumaard van het systeem.
De oplossing is om slechts enkele van de qubits te meten, niet allemaal. In op gevangen ionen gebaseerde computers worden de metingen uitgevoerd door de ionen te verlichten en de toestand van de qubits te bepalen door de resulterende, indien aanwezig, verstrooiing van licht. In hun nieuwe computer vervingen de Weizmann wetenschappers de licht detectoren die de toestanden van individuele ionen vastleggen door een op camera's gebaseerde array die alle qubits tegelijkertijd detecteert.
Een processor voor WeizQC - een 64-qubit kwantumcomputer die wordt ontworpen en gebouwd in het laboratorium van prof. Roee Ozeri door promovendi Lee Peleg en David Schwerdt. Foto via Weizmann Institute
Om de kwantumaard van het systeem te beschermen, ze verborgen enkele van de qubits voor de camera. Ze ontwikkelden ook een manier om de vertraging in de gegevensverwerking te verhelpen die was geassocieerd met op camera's gebaseerde arrays: ze voegden elektronische circuits toe die de camera-informatie snel uitlezen en verwerken, waardoor foutcorrectie werd versneld.
De Weizmann-computer is een vijf-qubit-machine, ongeveer het niveau dat de IBM-versie bereikte toen het bedrijf voor het eerst kwantumcomputing als een cloud service begon aan te bieden. WeizQC, dat momenteel wordt gebouwd in het laboratorium van Ozeri, zal werken met 64 qubits. Verwacht wordt dat het het kwantumvoordeel zal aantonen, dat tot nu toe alleen is bereikt door computers die in twee laboratoria zijn gebouwd: bij Google en bij de University of Science and Technology of China.
Projectdeelnemers waren onder meer onderzoek student Lior Gazit, Dr. Nitzan Akerman en andere studenten en wetenschappers van het laboratorium van Ozeri in de afdeling Physics of Complex Systems van Weizmann. Theoretisch onderzoek bij het project werd uitgevoerd door prof. Ady Stern van de afdeling Condensed Matter Physics van Weizmann.
Het onderzoek van prof. Ozeri wordt ondersteund door het Willner Family Leadership Institute voor het Weizmann Institute of Science en door de Rosa en Emilio Segre Research Award.
Comentarios