Antonio Anna Mele (sep 2022) (afb: Vrije Universiteit Berlijn)

Kwantumcircuits zouden krachtiger moeten worden naarmate ze groter worden, maar ruis gooit roet in het eten. Een nieuwe studie toont aan dat eerdere stappen in deze circuits geleidelijk aan hun invloed verliezen, waardoor alleen de laatste lagen er echt toe doen. Als gevolg hiervan gedragen ‘diepe’ kwantumcircuits zich meer als ‘ondiepe circuits’. Dat zou de mogelijkheden van kwantumrekentuigen aanzienlijk beperken. Dag het idee van de fabelachtige mogelijkheden van zo’n rekenaar.Kwantumrekentuigen zijn gevoelige machines doordat die met kwantumeffecten werken en die raken door het minste of geringste van slag af. Ruis zorgt in kwantumcircuits ervoor dat eerdere stappen vervagen, waardoor alleen de laatste lagen de resultaten beïnvloeden. Dit betekent dat zelfs complexe kwantumsystemen zich vaak veel eenvoudiger gedragen dan verwacht.
In kwantumrekenen wordt de ‘circuitdiepte’ gedefinieerd als het aantal opeenvolgende tijdstappen dat nodig is om alle poorten in een kwantumcircuit uit te voeren. Elke tijdstap komt overeen met de duur van één poortbewerking. Deze parameter is essentieel voor het evalueren van de prestaties en betrouwbaarheid van kwantumcircuits op echte apparatuur.
Het lijkt een beetje op het spel met de dominostenen, waarbij elk steen de volgende in de perfecte volgorde moet raken om een ​​bevredigend eindresultaat te krijgen. Kwantumcircuits bestaan ​​uit vele kleine stappen (‘bewerkingen’) die samenwerken om informatie op een zeer gecoördineerde manier te verwerken.
Ruis maakt kwantumsystemen instabiel. Het lijkt in eerste instantie misschien onbeduidend, maar zelfs kleine verstoringen kunnen zich in de loop van de tijd ophopen en de hele boel verstoren.

Als elke stap in een kwantumcircuit wordt beïnvloed door ruis, biedt een toenemende complexiteit dan nog steeds een voordeel? Kwantumcircuits zijn essentieel voor technologieën zoals kwantumcomputers, die problemen proberen op te lossen die buiten het bereik van klassieke digitale computers zouden liggen is de nog steeds geldende opvatting, maar daar komt door dit soort onderzoek steeds meer de klad in. Zo kwamen (andere) onderzoekers tot de slotsom dat er een functioneel maximum zit aan het aantal kwantumbits in een kwantumprocessor.

Deze (theoretische) studie heeft dit vraagstuk diepgaand onderzocht. De onderzoekers Antonio Anna Mele van de vrije universiteit in Berlijn ontdekten dat ruis een harde praktische grens stelt aan hoe diep een kwantumcircuit kan zijn, oftewel aan hoeveel stappen er achter elkaar kunnen worden uitgevoerd. Ze toonden ook aan dat ruis delen van deze circuits gemakkelijker te simuleren zijn met behulp van klassieke computers. Proost!

Om het effect van ruis te begrijpen, onderzochten de onderzoekers grote groepen kwantumcircuits die waren opgebouwd uit eenvoudige bewerkingen met twee kwantumbits. Hun model omvatte realistische omstandigheden, waarbij elke kwabit na elke stap ruis ondervindt. Met behulp van wiskundige analyse volgden ze hoe de invloed van elke laag zich door het circuit verspreidt. De resultaten lieten zien dat in de meeste ruisgevoelige kwantumcircuits alleen de laatste paar stappen een significante invloed hebben op de uitkomst.

Verdwijnt

Zelfs wanneer circuits ‘zeer diep’ zijn ontworpen, verdwijnt de invloed van eerdere bewerkingen geleidelijk. In de dominovergelijking is het alsof alleen de laatste stukken het eindresultaat bepalen. Dit heeft concrete gevolgen. Wanneer een kwantumcomputer wordt gebruikt om eigenschappen zoals de energie of de toestand van een kwabit te berekenen, wordt het resultaat grotendeels bepaald door de laatste lagen. Eerdere bewerkingen verdwijnen effectief uit het geheugen naarmate ruis zich ophoopt.

De bevindingen helpen ook verklaren waarom ruisgevoelige kwantumcircuits nog steeds aangepast of ‘opgeleid’ kunnen worden voor bepaalde taken. Het wijzigen van de circuitinstellingen kan het resultaat beïnvloeden, maar vooral omdat de laatste lagen een actieve rol blijven spelen.
Als gevolg hiervan gedraagt ​​een ‘diep’ circuit dat door ruis wordt beïnvloed zich grotendeels als een ondieper circuit. Het toevoegen van meer stappen leidt niet noodzakelijkerwijs tot betere prestaties, aangezien de meeste eerdere stappen niet langer een zinvolle bijdrage leveren.

Dit onderzoek zou een duidelijker beeld geven van wat wat er met kwantumcomputers bereikbaar is. Het simpelweg vergroten van de circuitdiepte zal waarschijnlijk geen betere resultaten opleveren voor veel gangbare taken, met name taken die gebaseerd zijn op lokale metingen.Toekomstige vooruitgang zal waarschijnlijk afhangen van het verminderen van ruis of het ontwerpen van circuits die effectief kunnen functioneren ondanks ruis.
De onderzoekers wijzen ook op een misvatting. Ruisgevoelige circuits lijken misschien ‘opleidbaar’, maar dat komt deels doordat ruis hun effectieve complexiteit al heeft verminderd. Door ruis simpelweg als een onscherpte te beschouwen, kunnen onrealistische verwachtingen ontstaan ​​over de werkelijke mogelijkheden van kwantumcomputers.

Bron: Science Daily