Quantumcomputer verslaat supercomputer?

In een artikel van de NRC wordt gemeld dat een kwantumcomputer van Google een supercomputer verslagen zou hebben. Als dat waar zou zijn dan heeft de kwantumcomputer nu de zogenaamde kwantumsuperioriteit bereikt.

Foto Google, Eric Lukero

De kwantumprocessor, met 54 Qubits waarvan één het niet deed, presteerde het om binnen 200 seconden een willekeurige reeks van 53 bits te produceren met een bepaalde verdeling. Dat is iets wat zelfs een supercomputer niet kan aangezien de processen van een klassieke computer met bits die of 1 of 0 zijn fundamenteel niet willekeurig zijn. Dat is zelfs ongewenst. Elke Qubit van een kwantumcomputer kan daarentegen ‘tegelijkertijd’ in beide toestanden zijn. Als je die Qubits met elkaar kunt koppelen zonder ze te ‘verstoren’, dat heet verstrengelen, dan kun je met 54 Qubits in principe 254 (~ 250 miljoen) berekeningen parallel uitvoeren.

Het verstrengelen van zoveel Qubits is een technische prestatie van de 1e orde. Qubits zijn zeer instabiel, wat wil zeggen dat ze al na zeer korte tijd, een paar milliseconden, kunnen ‘vervallen’ naar een ‘harde’ 1 of 0. En dan hebben we weer een gewone bit. Verstrengelen van instabiele componenten vermenigvuldigt min of meer die instabiliteit per toegevoegde component. Wat die bepaalde verdeling waarin die willekeurige getallen gegenereerd moesten worden zegt het artikel helaas niet, maar ik neem aan dat je in 200 seconden een enorme hoeveelheid willekeurige getallenreeksen kunt produceren waarbij je er dan wel die reeksen uit moet vissen die aan dat speciale criterium voldoen.

Het artikel geeft geen verdere bijzonderheden wat mij aanleiding geeft om mijn eigen gedachten hier enigszins de vrije uitloop te gunnen. Een via het internet aan te schaffen QRNG heeft een processor van rond de 45 Mhz, dus die produceert denk ik willekeurige nullen en enen in dat tempo, 45 miljoen per seconde. Met 53 parallel geschakelde QRNG’s heb je na 200 seconden 9 miljard willekeurige reeksen van 53 bits gegenereerd. Nu moet je die reeks die aan die speciale voorwaarde voldoet er nog tussenuit kunnen vissen wat wellicht zelfs voor een supercomputer een heftige taak zou kunnen zijn. Maar als je die speciale voorwaarde van te voren kunt opleggen aan die 53 Qubits en dan heb je na één operatie al meteen de goede uitkomst.

Ik ben heel benieuwd naar meer bijzonderheden en vooral hoe men van te voren de gewenste beperkingen op heeft weten te leggen aan de quantumprocessor van Google. En ook waarom ze toch nog 200 seconden nodig hadden.

Beyond Weird & The Quantum Handshake

Om op de hoogte te blijven van het onderwerp op deze website moet ik nogal wat lezen. En er wordt wat afgeschreven over kwantumfysica. Af en toe kom ik daarbij iets tegen waarvan ik bijzonder onder de indruk ben. Vooral omdat ze mijn kijk op het onderwerp weer aanzienlijk verruimen of verhelderen. Aanraders dus. Ik wil het hier nu als eerste hebben over ‘Beyond Weird – Why Everything You Thought about Quantum Physics is .. different‘ van Philip Ball.

Ik moet de cursist bedanken die mij dit boek in de handen drukte. Philip Ball is een wetenschapsjournalist die al vele jaren in Nature schrijft over dit onderwerp. Je hoeft geen exotische Schrödingervergelijkingen op te kunnen lossen om zijn boeiende duidelijke uiteenzetting over de kwantumwereld en haar raadsels te kunnen volgen. En passant ruimt hij ook enige misverstanden over dit onderwerp op. Zoals dat eigenlijk de term kwantum in kwantumfysica een verkeerde is. Het gaat niet om kwanta maar om de toestandsgolf en die is niet gekwantiseerd. Duidelijk maakt hij hoe de kwantumfysica in haar karakter en geschiedenis afwijkt van alle voorgaande natuurkundige theoriën. Het is namelijk een theorie die niet boven op de voorgaande theoriën gebouwd is. Het is niet goed mogelijk om je een voorstelling te maken van de kwantum wereld zoals je dat kunt doen met bijvoorbeeld zwaartekracht, elektrische stromen, gasmoleculen, etc. De wiskundige grondslag van de kwantumfysica, de kwantummechanica is niet ontstaan door uit te gaan van grondbeginselen maar veel meer het resultaat van bijzonder gelukkige intuïties die uitstekend werkten maar waarvan de bedenkers niet fundamenteel konden uitleggen waarop die waren gebaseerd. Voorbeelden zijn: De matrixmechanica van Heisenberg, de schrödingervergelijking, het idee van Born dat de toestandsfunctie de waarschijnlijkheid geeft om het deeltje bij meting op een bepaalde plek aan te treffen. Allemaal geïnspireerd intuïtief giswerk dat de basis heeft gelegd voor een onwaarschijnlijk succesvolle theorie waarvan we nog steeds niet echt begrijpen hoe en waarom die werkt. Ball maakt heel duidelijk dat het allemaal om informatie lijkt te gaan. Het is wel jammer, in mijn ogen, dat hij uiteindelijk de decoherentiehypothese blijkt aan te hangen. Dat is het punt in zijn boek waar de kritische lezer merkt dat wat tot dan toe allemaal stap voor stap goed te volgen was ineens aan begrijpelijkheid inboet en hij het moet doen met onvolkomen metaforen. Het blijft interessant maar het overtuigt mij niet meer. Ondanks dat is het boek een grote aanrader voor iedere leek die meer wil begrijpen van de kwantumwereld en van kwantumcomputers.

Een heel ander type boek is ‘The Quantum Handshake – Entanglement, Nonlocality and Transactions‘ van John Cramer. Hier gaat het om een interpretatie van de kwantumfysica die mijns inziens onterecht niet op de lijst van serieuze interpretaties beland lijkt te zijn. Geen grote groep aanhangers dus. Ik had er in elk geval nooit op die manier van gehoord totdat die door iemand op een presentatie die ik bijwoonde te berde gebracht werd. Dat maakte mij nieuwsgierig natuurlijk. Het idee van Cramer is namelijk dat de toestandsgolf zich ook terug in de tijd kan bewegen waardoor er een soort ‘handdruk’ ontstaat tussen de vertrekkende toestandsgolf en de aankomende teruggekaatste toestandsgolf die de overdracht van energie bewerkstelligt zonder dat er sprake hoeft te zijn van de zogenaamde kwantum collaps. Het meetprobleem waarbij de toestandsgolf plotseling overgaat in de energie-materie-overdracht is dan opgelost. Maar om die energie-materie-overdracht van oorsprong naar meetlokatie uiteindelijk rond te kunnen krijgen in zijn verklaring moet Cramer dan aannemen dat de toestandsgolf toch ‘enigszins’ materieel-fysisch is. Desalniettemin de moeite waard voor diegenen die zich willen verdiepen in de diverse interpretaties van de kwantumfysica, ook en vooral vanwege Cramers bespreking van een groot aantal experimenten met verbazingwekkende implicaties zoals bijvoorbeeld kwantumwissers en uitgestelde keus experimenten waar retrocausaliteit lijkt op te treden. Zijn idee van een in de tijd teruglopende toestandsgolf – die niet verboden wordt in de formuleringen van de kwantummechanica – blijft fascinerend.

Kwantumfysica en tijd

Professor Vlatko Vedral is hoogleraar fysica aan de Oxford universiteit. Hij publiceert over kwantumfysica en haar effecten in de macrowereld. Bekijk deze aflevering “Living in a quantum world” van hem op YouTube: https://youtu.be/vaUfZak8Ug4. Op het laatst van de aflevering wordt er een vraag over tijd en kwantumfysica gesteld (ca. 1:10u) en in zijn antwoord beschrijft hij het gedrag van een supernauwkeurige klok en wat er gebeurt met de laatste cijfertjes als je die klok een halve meter optilt in het zwaartekrachtveld. En dan vraagt hij zich af wat het betekent als je je die klok voorstelt in een kwantumsuperpositie op de twee verschillende hoogtes in het zwaartekrachtveld. Een superpositie van twee verschillende tijdlijnen dus. Fascinerend.

Overigens is het eerste deel van zijn presentatie – ca. 45 minuten – eigenlijk een zeer compacte versie van mijn kwantumfysica cursus. Alles komt langs: interferentie, de Mach-Zehnder interferometer, Schrödingers kat, de Kopenhagen interpretatie tegenover het multiversum, uitgestelde keus experimenten, interferentie met grote moleculen, de oriëntatie van ons roodborstje op het aardmagnetisch veld in zijn jaarlijkse trek, de 100% efficiency van chlorophyl. Een aanrader dus.

Wat is tijd?

Op 1 juli geef ik in het kader van de Hovo zomeracademie in Rotterdam een eendaagse zomercursus met als titel: Wat is tijd? We ervaren allemaal tijd maar is tijd iets dat fysisch tastbaar is? Lees vast als voorproefje het artikel in de NRC van zaterdag 16 maart van Bruno van Wayenburg: ‘Fysici keren de tijd om met quantumcomputer’. Let op deze zin in het artikel: “„We hebben een kunstmatige toestand gecreëerd die zich ontwikkelt tegen de thermodynamische richting van de tijd in”.

Een paradox zandloper

De Engelse fysicus Julian Barbour heeft een opmerkenswaardige visie op tijd, ze bestaat niet. Lees dit volkskrant artikel : https://www.volkskrant.nl/cultuur-media/een-brit-die-de-tijd-ontkent~. Of bekijk de Noorderlicht uitzending over hem: Killing Time.