Nieuwe protocollen kunnen vroege quantumcomputers versnellen

Hoe kunnen quantumcomputers zoveel mogelijk berekeningen uitvoeren tijdens de korte levensduur van hun geheugen? CWI-onderzoeker Koen Groenland ontwikkelde methoden om dit te doen. Zijn resultaten kunnen helpen bij het verbeteren van vroege quantumcomputers.

Publication date: 15-01-2020

Quantumcomputers zullen sommige berekeningen enorm versnellen maar ze zijn nog steeds moeilijk te bouwen. Een van de uitdagingen is dat hun geheugen informatie maar heel korte tijd kan opslaan. Hoe kunnen deze quantumcomputers toch zoveel mogelijk berekeningen uitvoeren tijdens deze korte levensduur? CWI-onderzoeker Koen Groenland ontwikkelde methoden om dit te doen door een lange reeks berekeningen te vervangen door één enkele snelle stap die vele quantumbits tegelijkertijd hierbij betrekt. Hij verdedigt zijn proefschrift 'Quantum protocols for few-qubit devices' aan de Universiteit van Amsterdam op 17 januari 2020. Zijn resultaten kunnen helpen bij het verbeteren van vroege quantumcomputers.

"Het is nu een opwindende tijd voor quantumcomputers", zegt Groenland. "De snelle ontwikkeling van quantumhardware heeft ons op het punt gebracht dat quantumcomputers bijna kunnen concurreren met conventionele computers voor specifieke problemen. Wetenschappers kunnen niet wachten om de eerste de eerste algoritmen op deze computers te testen, bijvoorbeeld om chemische reacties beter te begrijpen of om nieuwe medicijnen te ontwikkelen." Toch zullen de quantumcomputers die de komende jaren beschikbaar zullen komen waarschijnlijk zeer beperkt zijn, omdat ze slechts enkele tientallen tot een paar honderd bits aan informatie kunnen opslaan en slechts een klein aantal rekenstappen kunnen standhouden voordat het geheugen door ruis wordt vertroebeld. Groenland ontwierp nieuwe quantumprotocollen die de fysica van de hardware gebruiken om grotere bouwstenen van algoritmen te construeren. Hij hoopt dat dit vroege quantumcomputers in staat stelt om berekeningen uit te voeren die anders te lang zouden duren. 

Inspiratie voor deze technieken kwam uit de vaste-stoffysica. Groenland: "Veel quantumcomputers bestaan uit atomen die op een specifieke plaats vastgepind zijn, vergelijkbaar met hoe atomen zich rangschikken in een kristalstructuur in een vaste stof. Dankzij een schat aan resultaten uit de vaste-stoffysica kunnen we ook begrijpen hoe quantumcomputers zich gedragen als meerdere qubits op elkaar inwerken. Een voorbeeld is het gebruik van resonantie in quantumsystemen, waar het gebruik van laserlicht met de juiste frequentie ervoor kan zorgen dat atomen snel naar een andere toestand overgaan. Dit is precies wat nodig is om een bruikbare quantumoperatie berekening te verkrijgen."

Groenland deed zijn onderzoek in de onderzoeksgroep Algorithms and Complexity van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam, het nationale onderzoeksinstituut voor wiskunde en informatica in Nederland, dat deel uitmaakt van de institutenorganisatie van NWO. Zijn promotoren zijn prof. Harry Buhrman (CWI en UvA) en prof. Kareljan Schoutens (UvA). Groenland was ook verbonden aan QuSoft (het Nederlandse onderzoekscentrum voor quantumsoftware) en aan het Institute of Physics van de UvA.

Meer informatie