D-Wave Systems heeft een nieuwe versie van haar quantumcomputer uitgebracht, de D-Wave 2000Q. De computer is een upgrade van het huidige 2X-systeem en bevat maximaal 2048 qubits. Dit is bijna het dubbele van het vorige systeem, dat bevatte 1152 qubits. Ook het aantal couplers is toegenomen van 3000 naar 5600. De 2000Q moet daarmee grotere en complexere problemen kunnen oplossen dan haar voorgangers.
Hoe quantum annealing werkt
Elke qubit kan twee staten aan nemen: Een 1 of een 0. Deze staten zijn gedefinieerd als de richting van het uitgeoefende magnetische veld, naar onder of naar boven. Voor dat een qubit is uitgelezen bevindt het zich echter in superpositie: Het is op dat moment nog beide. De kans is dan ongeveer 50/50 dat als de qubit uitgelezen wordt het een 1 of een 0 wordt.
Deze kans is echter te beïnvloeden door een magnetische kracht op die qubit uit te oefenen. Hierdoor wordt de energie die nodig is voor de ene uitkomst kleiner en voor de andere uitkomst groter. Ook kan je twee qubits aan elkaar koppelen, daarvoor zitten er couplers in het de processor. Als twee qubits gekoppeld zijn, is de kans groter dat ze allebei hetzelfde resultaat geven (dus 1 en 1 of 0 en 0) of juist dat ze allebei een andere waarde aannemen (dus 0 en 1 of 1 en 0).
Vervolgens wordt een wiskundig probleem als een energiesysteem gemodelleerd. Dit energiemodel van het probleem wordt dan in de processor geprogrammeerd door magnetische krachten op bepaalde qubits uit te oefenen en door bepaalde qubits te koppelen. Hierbij bevat de meest efficiënte oplossing van het probleem de minste energie en de minst efficiënte oplossing de meeste energie. De computer maakt vervolgens gebruik van quantum annealing. QA werkt doordat een quantumsysteem altijd naar zijn grondtoestand toe wil. Dit is de staat van het systeem dat de minste energie bevat.
In dit QA-proces, dat ongeveer 20 microseconden duurt, worden alle qubits uitgelezen. Hiermee zitten ze niet meer in superpositie, maar nemen ze een 1 of een 0 aan. Hoe minder energie het kost om een van de twee te worden, hoe groter de kans dat het die ook wordt. Omdat de qubits vooraf beïnvloed zijn en aan elkaar gekoppeld zal dit niet random voor elke qubit los gebeuren, maar als de uitkomst waarbij alle qubits bij elkaar de minste energie bevatten. En dat was dus de oplossing van het probleem.
Verschil met gate-model quantumcomputers
D-Wave's systemen kunnen niet alles wat 'echte' quantum computers kunnen. Deze zogenaamde gate-model computers kunnen niet alleen de beginstaat beïnvloeden, zoals gedaan wordt bij QA, maar ook wat er gebeurt tijdens het process zelf. Zo kunnen ze 'sturen' naar een bepaalde oplossing, welke wellicht meer energie bevat dan wat quantum annealing zou vinden. Hierdoor kunnen veel meer verschillende soorten problemen opgelost worden. Echter is er nog geen enkele quantumcomputer welke gebruik maakt van het gate-model op de markt, terwijl D-Wave al drie generaties erop heeft zitten. Ook kan D-Wave nu problemen van duizenden qubits aan, terwijl bij gate-model varianten in laboratoria het aantal qubits op twee handen te tellen is.
Toch is er nog enige vorm van controversie over de systemen van D-Wave. Het bedrijf heeft namelijk nog niet aangetoond dat het systeem zich fundamenteel volgens de regels van de kwantummechanica gedraagt. Wel hebben ze testen laten zien waarbij ze aantonen dat het systeem in het oplossen van, weliswaar hele specifieke, problemen significant sneller is dan wat een conventioneel systeem fundamenteel zou kunnen halen. Hiermee hebben ze dus wel aangetoond dat hun computer in ieder geval iets doet wat een conventioneel systeem niet kan. Maar of, en zoja welke, quantumeffecten dit zijn, is dus nog niet 100% bewezen.
De omstandigheden
Om dit process te laten werken zijn behoorlijk extreme omstandigheden nodig. Zo werkt de chip net als haar voorgangers op min 273 graden Celcius, oftewel 0,015 graad boven het absolute nulpunt. Het systeem is afgeschermd tegen elektromagnetische effecten, waarbij in het systeem minder dan 1 nanotesla aanwezig is. Ter vergelijking: het aardmagnetisch veld bevat 25.000 tot 65.000 nanotesla. Tevens heerst er een bijna-vacuum, de druk is tien miljard keer lager dan de atmosfeer op zeeniveau.
Deze omstandigheden zijn nodig omdat de kleinste storing direct invloed heeft op de energiestaat van de qubits en dus op de uitkomst. Een te groot magnetisch veld beïnvloedt de qubits direct, een te hoge temperatuur en/of te hoge luchtdruk zorgt dat de qubits opwarmen wat energie toevoegt aan het systeem, en dus de resultaten beïnvloedt.
Klanten van D-Wave
Dit systeem is het vierde systeem dat D-Wave verkoopt, met als voorgangers de One-, Two- en 2X-computers. Onder andere Lockheed Martin, het Los Alamos National Laboratory en Temporal Defense Systems Inc. hebben een D-Wave systeem gekocht. Ook Google bezit er samen met NASA een, waarbij beide 40% van de computertijd gebruiken en de overige 20% doneren aan universiteiten. Een systeem van D-Wave kost ongeveer 15 miljoen dollar, afhankelijk van de configuratie. De 2000Q is al aan de eerste klant geleverd, Temporal Defense Systems. Vermoedelijk zullen veel andere klanten ook upgraden, aangezien niet het hele systeem vervangen hoeft te worden.
Meer weten?
Als je meer wilt weten over hoe bijvoorbeeld individuele qubits werken lees dan ook ons artikel over quantumcomputing van 22 januari. Ook heeft D-Wave een afspeellijst met vier video's over quantum annealing.
2000 qubit D-Wave quantum processing unit
Drie 2000Q processors in hun holster
Bronnen: D-Wave Press, 2000Q Technical Overview, D-Wave 2000Q
