De Willow-chip van Google draait het kwantumalgoritme 13.000 keer sneller dan supercomputers: dit is hoe het supergeleidende ontwerp het mogelijk maakt

Google heeft een belangrijke doorbraak aangekondigd in zijn poging om bruikbare kwantumcomputers te maken. De Willow-processor van het bedrijf voerde naar verluidt een complex Quantum Echoes-algoritme ongeveer 13.000 keer sneller uit dan de huidige snelste klassieke supercomputers.

Willow betekent een grote sprong voorwaarts ten opzichte van Google's doorbraak met de Sycamore-chip in 2019. In tegenstelling tot de laatstgenoemde heeft de eerstgenoemde supergeleidende chip waarde in de echte wereld. De toepassing in AI-ontwikkeling, chemische modellering en geavanceerd materiaalonderzoek is aangetoond, volgens de resultaten gepubliceerd in Nature.

Hoe Google's supergeleidende quantumchip werkt

De Willow-chip maakt gebruik van 105 supergeleidende qubits (qubit is een afkorting voor quantumbit, de basiseenheid van informatie in quantum computing; het is vergelijkbaar met de bit in klassieke computing). Elke qubit functioneert als een schijnatoom en kan informatie in superpositie of meerdere toestanden tegelijk bevatten.

Wanneer de qubits verstrengelen (een toestand waarbij twee of meer qubits een effect op elkaar hebben, ongeacht de afstand ertussen), geven ze kwantuminformatie in realtime door. Hierdoor kan de processor meerdere oplossingen tegelijkertijd analyseren.

Kwantumsystemen moeten stabiel zijn om een voorspelbare relatie tussen hun kwantumtoestanden in de tijd te behouden. Daarom ontwierp Google Willow om bij bijna het absolute nulpunt te werken, waardoor warmte en trillingsinterferentie worden geweerd.

De architectuur van de chip is geoptimaliseerd voor snelheid en precisie, en het experiment rapporteerde single-qubit gate betrouwbaarheden van 99,97 procent en verstrengelde poorten van 99,88 procent. Dit maakt Willow ideaal voor het uitvoeren van grootschalige kwantumalgoritmen.

(Poortgetrouwheid is een maat voor hoe een kwantumpoort functioneert in vergelijking met de ideale, foutloze versie. Hoe dichter bij 100 procent, hoe meer hij zich gedraagt als zijn theoretische model)

Hoe Google de kwantumcomputerprestaties van Willow valideerde

Het Willow-project is speciaal vanwege de controleerbaarheid. Dankzij de mogelijkheid om de resultaten van het Quantum Echoes-algoritme te valideren op verschillende machines of in verschillende laboratoriumomstandigheden, kon Google voldoen aan de belangrijkste vereisten om quantum superioriteit te claimen.

Het Quantum Echoes-algoritme helpt onderzoekers om moleculair gedrag, chemische bindingen en elektronische structuren nauwkeuriger te modelleren dan met klassieke simulaties. De chip dreef een supercomputer aan die het algoritme oploste, en leverde resultaten in een dertiende van de tijd die een klassieke supercomputer nodig zou hebben.

Zoals Google-onderzoeker Tom O'Brien zei, is de reproduceerbaarheid van Willow wat theoretische en praktische doorbraken van elkaar scheidt. Hij verklaarde: "Als we niet kunnen bewijzen dat de gegevens kloppen, kunnen we er niets mee doen."

Een andere onderzoeker van het project, Nobelprijswinnaar Michel H. Devoret, die de leiding had over de natuurkunde, zei: "We hebben laten zien dat elektrische circuits zich als atomen kunnen gedragen. Nu laten we zien wat die kunstmatige atomen kunnen doen."

Wat betekent Google's doorbraak in Willow quantumcomputing voor AI en wetenschap?

De Willow supergeleiderchip kan de tijd die wetenschappers nodig hebben om biologische systemen te simuleren aanzienlijk verkorten. Het heeft ook het potentieel om scenario's aan te pakken waarbij klassieke computing er niet in slaagt om nauwkeurige datasets te genereren.

De processor van Google kan ook worden toegepast op nieuwe materiaalontwerpen en op het trainen van data-efficiënte AI-systemen. Als de doorbraak van Willow verder gevalideerd wordt, zou het kwantumrekenen de drempel van bruikbaarheid en schaalbaarheid voor het oplossen van industriële problemen kunnen bereiken.