quote:

Quantum computers promise to perform certain tasks much faster than ordinary (classical) computers. In essence, a quantum computer carefully orchestrates quantum effects (superposition, entanglement and interference) to explore a huge computational space and ultimately converge on a solution, or solutions, to a problem. If the numbers of quantum bits (qubits) and operations reach even modest levels, carrying out the same task on a state-of-the-art supercomputer becomes intractable on any reasonable timescale — a regime termed quantum computational supremacy1. However, reaching this regime requires a robust quantum processor, because each additional imperfect operation incessantly chips away at overall performance. It has therefore been questioned whether a sufficiently large quantum computer could ever be controlled in practice. But now, in a paper in Nature, Arute et al.2 report quantum supremacy using a 53-qubit processor.

Read the paper: Quantum supremacy using a programmable superconducting processor
Arute and colleagues chose a task that is related to random-number generation: namely, sampling the output of a pseudo-random quantum circuit. This task is implemented by a sequence of operational cycles, each of which applies operations called gates to every qubit in an n-qubit processor. These operations include randomly selected single-qubit gates and prescribed two-qubit gates. The output is then determined by measuring each qubit.

The resulting strings of 0s and 1s are not uniformly distributed over all 2n possibilities. Instead, they have a preferential, circuit-dependent structure — with certain strings being much more likely than others because of quantum entanglement and quantum interference. Repeating the experiment and sampling a sufficiently large number of these solutions results in a distribution of likely outcomes. Simulating this probability distribution on a classical computer using even today’s leading algorithms becomes exponentially more challenging as the number of qubits and operational cycles is increased.

In their experiment, Arute et al. used a quantum processor dubbed Sycamore. This processor comprises 53 individually controllable qubits, 86 couplers (links between qubits) that are used to turn nearest-neighbour two-qubit interactions on or off, and a scheme to measure all of the qubits simultaneously. In addition, the authors used 277 digital-to-analog converter devices to control the processor.

When all the qubits were operated simultaneously, each single-qubit and two-qubit gate had approximately 99–99.9% fidelity — a measure of how similar an actual outcome of an operation is to the ideal outcome. The attainment of such fidelities is one of the remarkable technical achievements that enabled this work. Arute and colleagues determined the fidelities using a protocol known as cross-entropy benchmarking (XEB). This protocol was introduced last year3 and offers certain advantages over other methods for diagnosing systematic and random errors.

Promising ways to encode and manipulate quantum information
The authors’ demonstration of quantum supremacy involved sampling the solutions from a pseudo-random circuit implemented on Sycamore and then comparing these results to simulations performed on several powerful classical computers, including the Summit supercomputer at Oak Ridge National Laboratory in Tennessee (see go.nature.com/35zfbuu). Summit is currently the world’s leading supercomputer, capable of carrying out about 200 million billion operations per second. It comprises roughly 40,000 processor units, each of which contains billions of transistors (electronic switches), and has 250 million gigabytes of storage. Approximately 99% of Summit’s resources were used to perform the classical sampling.

Verifying quantum supremacy for the sampling problem is challenging, because this is precisely the regime in which classical simulations are infeasible. To address this issue, Arute et al. first carried out experiments in a classically verifiable regime using three different circuits: the full circuit, the patch circuit and the elided circuit (Fig. 1). The full circuit used all n qubits and was the hardest to simulate. The patch circuit cut the full circuit into two patches that each had about n/2 qubits and were individually much easier to simulate. Finally, the elided circuit made limited two-qubit connections between the two patches, resulting in a level of computational difficulty that is intermediate between those of the full circuit and the patch circuit.

Figure 1 | Three types of quantum circuit. Arute et al.2 demonstrate that a quantum processor containing 53 quantum bits (qubits) and 86 couplers (links between qubits) can complete a specific task much faster than an ordinary computer can simulate the same task. Their demonstration is based on three quantum circuits: the full circuit, the patch circuit and the elided circuit. The full circuit comprises all 53 qubits and is the hardest to simulate on an ordinary computer. The patch circuit cuts the full circuit into two patches that are each relatively easy to simulate. Finally, the elided circuit links these two patches using a reduced number of two-qubit operations along reintroduced two-qubit connections and is intermediate between the full and patch circuits, in terms of its ease of simulation.

The authors selected a simplified set of two-qubit gates and a limited number of cycles (14) to produce full, patch and elided circuits that could be simulated in a reasonable amount of time. Crucially, the classical simulations for all three circuits yielded consistent XEB fidelities for up to n = 53 qubits, providing evidence that the patch and elided circuits serve as good proxies for the full circuit. The simulations of the full circuit also matched calculations that were based solely on the individual fidelities of the single-qubit and two-qubit gates. This finding indicates that errors remain well described by a simple, localized model, even as the number of qubits and operations increases.

Arute and colleagues’ longest, directly verifiable measurement was performed on the full circuit (containing 53 qubits) over 14 cycles. The quantum processor took one million samples in 200 seconds to reach an XEB fidelity of 0.8% (with a sensitivity limit of roughly 0.1% owing to the sampling statistics). By comparison, performing the sampling task at 0.8% fidelity on a classical computer (containing about one million processor cores) took 130 seconds, and a precise classical verification (100% fidelity) took 5 hours. Given the immense disparity in physical resources, these results already show a clear advantage of quantum hardware over its classical counterpart.

The authors then extended the circuits into the not-directly-verifiable supremacy regime. They used a broader set of two-qubit gates to spread entanglement more widely across the full 53-qubit processor and increased the number of cycles from 14 to 20. The full circuit could not be simulated or directly verified in a reasonable amount of time, so Arute et al. simply archived these quantum data for future reference — in case extremely efficient classical algorithms are one day discovered that would enable verification. However, the patch-circuit, elided-circuit and calculated XEB fidelities all remained in agreement. When 53 qubits were operating over 20 cycles, the XEB fidelity calculated using these proxies remained greater than 0.1%. Sycamore sampled the solutions in a mere 200 seconds, whereas classical sampling at 0.1% fidelity would take 10,000 years, and full verification would take several million years.

This demonstration of quantum supremacy over today’s leading classical algorithms on the world’s fastest supercomputers is truly a remarkable achievement and a milestone for quantum computing. It experimentally suggests that quantum computers represent a model of computing that is fundamentally different from that of classical computers4. It also further combats criticisms5,6 about the controllability and viability of quantum computation in an extraordinarily large computational space (containing at least the 253 states used here).

However, much work is needed before quantum computers become a practical reality. In particular, algorithms will have to be developed that can be commercialized and operate on the noisy (error-prone) intermediate-scale quantum processors that will be available in the near term1. And researchers will need to demonstrate robust protocols for quantum error correction that will enable sustained, fault-tolerant operation in the longer term.

Arute and colleagues’ demonstration is in many ways reminiscent of the Wright brothers’ first flights. Their aeroplane, the Wright Flyer, wasn’t the first airborne vehicle to fly, and it didn’t solve any pressing transport problem. Nor did it herald the widespread adoption of planes or mark the beginning of the end for other modes of transport. Instead, the event is remembered for having shown a new operational regime — the self-propelled flight of an aircraft that was heavier than air. It is what the event represented, rather than what it practically accomplished, that was paramount. And so it is with this first report of quantum computational supremacy.

quote:

As a result of these developments, quantum computing is transitioning from a research topic to a technology that unlocks new computational capabilities. We are only one creative algorithm away from valuable near-term applications.

quote:

Op donderdag 24 oktober 2019 11:43 schreef noodgang het volgende:
Al zitten er ook flinke risico's aan. Alle encryptie die we op dit moment gebruiken kan binnen no-time ontsleuteld worden als er quantumcomputers zouden zijn. Naar verluid wordt er nu al veel versleutelde data opgeslagen, zodat deze bekeken kan worden als de technologie hiervoor er is.

quote:

Op donderdag 24 oktober 2019 11:49 schreef Elan het volgende:
Krijg bij dit soort berichten altijd een beetje van die Terminator gevoelens, straks lanceert een vijandige macht middels technologie die we amper zelf beheersen het complete nucleaire arsenaal en vernietigen ze de mensheid.

quote:

Op donderdag 24 oktober 2019 11:50 schreef Bosbeetle het volgende:
Maar er liggen wel mooie tijden voor ons, trouwens het encryptie probleem kan ook nog wel eens de andere kant op rollen want je kun natuurlijk ook met quantum computers encrypten (gok ik).

quote:

Op donderdag 24 oktober 2019 11:56 schreef FlippingCoin het volgende:
Kwam het o.a. tegen op het google kanaal op youtube, erg gaaf wel, maar gaat nog wel een hele tijd duren voor hier wat bruikbaars uit komt voor de gemiddelde mens denk ik.

quote:

Op donderdag 24 oktober 2019 12:00 schreef Bosbeetle het volgende:

[..]

Ik was verbaasd dat ze het vergeleken met het quantum effect in een laser want dat kan nog wel eens direct effect hebben op mijn vakgebied... Maar de echte directe effecten voor deze metingen liggen natuurlijk in het vlak van de quantummechanica en de deeltjes fysica. Dit opent de poorten om te kijken naar wat grotere systemen.

quote:

Op donderdag 24 oktober 2019 12:40 schreef FlippingCoin het volgende:

[..]

Ik heb daar echt geen verstand van.

Ik heb mij een beetje verdiept in wat quantum mechanica voor software kan gaan betekenen maar verder niet, is ook wel wat intimiderende stof.

quote:

Op donderdag 24 oktober 2019 12:46 schreef Bosbeetle het volgende:

[..]

Grappig is wel dat er nu ook nagedacht wordt over quantum interpreters en compilers maar ook al programmeertalen die specifiek werken op quantum computers. Er veranderd echt heel veel....

Ook is de foutendetectie/preventie in quantum computers een heel wetenschappelijk veld op zichzelf. Het is echt leuk om te lezen. Ik heb een abonement op nature en ik pak de quantum computer artiekeltjes altijd wel even mee

quote:

Op donderdag 24 oktober 2019 17:41 schreef FlippingCoin het volgende:

[..]

Ja alleen zullen dat systeemtalen talen zijn wss waarnaar je dan kan compilen vanuit de huidige talen?

En is de foutdetectie veld vergelijkbaar met wat je nu hebt met zo veel mogelijk transistors op een chip krijgen, dat is ook een geel vakgebied toch?

quote:

Op donderdag 24 oktober 2019 21:24 schreef Odaiba het volgende:
Oke, maar wat kunnen we ermee?

quote:

Op donderdag 24 oktober 2019 22:47 schreef Bosbeetle het volgende:

[..]

Een quantum systeem van 53 qbits "simuleren" ...

Daarom is die vergelijking met de gebroeders wright zo treffend na een vlucht van 100m in een gammele fiets/vliegtuig kun je ook heel goed zeggen "oke maar wat kunnen we ermee" ...

quote:

Op vrijdag 25 oktober 2019 00:12 schreef Odaiba het volgende:

[..]

Nouja, ik neem aan dat ze nu dus nog complexere berekeningen kunnen doen en vooral sneller en dat daaruit dus veel wetenschappelijk nieuws kan voortkomen. Of wat zal Google er mee willen doen als commercieel techbedrijf.

quote:

Op dinsdag 5 november 2019 13:35 schreef DrDarwin het volgende:
Ik ben maar een leek natuurlijk, maar:
Is het niet zo dat met elke mega stap die er op computer gebied gemaakt wordt de volgende stap een verdubbeling van kracht/vermogen is, en dus ook dubbel zoveel warmte genereerd?

quote:

Op dinsdag 5 november 2019 14:03 schreef Digi2 het volgende:

[..]

Nee, het vermogen dat per transistor verbruikt wordt daalt sterk maar tegelijkertijd plaatsen we veel meer transistors op een chip. Het vermogen dat verbruikt wordt voor het realiseren van Qbits in de huidige Quantumcomputers is daarbij vergeleken extreem veel groter inderdaad. Iets op bijna het absolute nulpunt houden qua temperatuur vreet nu eenmaal energie.

quote:

Op dinsdag 5 november 2019 14:08 schreef DrDarwin het volgende:

[..]

Energie is toch warmte?

quote:

Op dinsdag 5 november 2019 14:26 schreef Digi2 het volgende:

[..]

Energie kan meerdere vormen hebben maar in computers verlaat het uiteindelijk als warmte het systeem. Ondanks het hoge energieverbruik kunnen Quantumcomputers uiteindelijk minder stroomverbruik opleveren als hetgeen een supercomputer verbruikt voor een vergelijkbare calculatie. Om die reden zijn Quantumcomputers hooguit een aanvulling en geen vervanging voor klassieke computers. Daarnaast kunnen Quantumcomputers ons in staat stellen calculaties te doen die voor klassieke computers onoplosbaar zijn binnen een redelijke tijd.

quote:

Op dinsdag 5 november 2019 14:26 schreef Digi2 het volgende:
Ondanks het hoge energieverbruik kunnen Quantumcomputers uiteindelijk minder stroomverbruik opleveren als hetgeen een supercomputer verbruikt voor een vergelijkbare calculatie. Om die reden zijn Quantumcomputers hooguit een aanvulling en geen vervanging voor klassieke computers.

quote:

Op dinsdag 5 november 2019 19:49 schreef LelijKnap het volgende:

[..]

Ik snap deze toelichting niet. Gaarne...

quote:

Op dinsdag 5 november 2019 19:54 schreef Digi2 het volgende:

[..]

Wat is er zo onbegrijpelijk aan?

quote:

Op dinsdag 5 november 2019 19:57 schreef LelijKnap het volgende:

[..]

Dat moest gevolgtrekking zijn. Waarom zijn Qcomputers hoogstens een aanvulling op normale computers omdat ze minder energie dan supercomputers gebruiken?

quote:

Op dinsdag 5 november 2019 20:06 schreef Digi2 het volgende:

[..]

Een huidige supercomputer is opgebouwd met vele klassieke CPU's om complexe berekeningen binnen een redelijk tijd te kunnen uitvoeren. Hiervoor kan een Quantumcomputer een alternatief zijn welke minder energie verbruikt.

quote:

Op dinsdag 5 november 2019 20:10 schreef LelijKnap het volgende:

[..]

Ja, ok maar dan zijn ze alleen een aanvulling omdat ze meer energie dan normale computers vreten, niet omdat ze minder dan supercomputers verbruiken. Mierengeneuk, maar ik twijfelde ff aan mezelf toen ik het las.

quote:

Op dinsdag 5 november 2019 20:21 schreef Digi2 het volgende:
Nee, uiteindelijk zouden Quantumcomputers minder energie kunnen verbruiken dan de huidige supercomputers die op grote aantallen klassieke CPU's zijn gebaseerd. Het gaat daarbij om complexe berekeningen, niet hetgeen een doorsnee PC thuis normaliter doet. Daar zal het huidige type Quantumcomputer geen alternatief voor zijn.

quote:

Op dinsdag 5 november 2019 20:23 schreef LelijKnap het volgende:

[..]

Het is dus geen alternatief omdat het geen nuttige toevoeging is voor thuisgebruik, (en omdat ze meer (veel meer) stroom gebruikt dan normale computers?).

quote:

How Much Power Will Quantum Computing Need?
For now, D-Wave’s machines can scale up the number of quantum bits (qubits) they use without significantly increasing their power requirements. That’s because D-Wave’s quantum computing hardware relies on a specialized design consisting of metal niobium loops that act as superconductors when chilled to a frigid 15 millikelvin (-273° C). Much of the D-Wave hardware’s power consumption—slightly less than 25 kilowatts for the latest machine—goes toward running the refrigeration unit that keeps the quantum processor cool. The quantum processor itself requires a comparative pittance.

“The operation of the quantum processor itself requires remarkably little power—only a tiny fraction of a microwatt—which is essentially negligible in comparison to the power needs of the refrigerator and servers,” says Colin Williams, director of business development & strategic partnerships at D-Wave Systems.

quote:

Quantum computing could change the way the world uses energy
And then there’s the price. Most modern classical supercomputers use between 1 to 10 megawatts of power on average, which is enough electricity to meet the instantaneous demand of almost 10,000 homes. As a year’s worth of electricity at 1 megawatt costs about $1 million in the US, this leads to multimillion-dollar price tags for operating these classical supercomputers. In contrast, each comparable quantum computer using 25 kilowatts of power costs about $25,000 per unit per year to run.

quote:

Op donderdag 24 oktober 2019 11:43 schreef noodgang het volgende:
Al zitten er ook flinke risico's aan. Alle encryptie die we op dit moment gebruiken kan binnen no-time ontsleuteld worden als er quantumcomputers zouden zijn. Naar verluid wordt er nu al veel versleutelde data opgeslagen, zodat deze bekeken kan worden als de technologie hiervoor er is.

quote:

QuTech ontwikkelt transistors van germanium voor quantumcomputers

Onderzoekers van TNO en QuTech hebben een transistor op basis van germanium ontwikkeld die goede eigenschappen heeft om te dienen als qubit voor quantumcomputers. Ze demonstreren berekeningen met de transistor.

Het is al langer bekend dat germanium geschikt materiaal is om quantumbits op te baseren en wereldwijd zijn onderzoekers bezig om hiermee te werken. Lange tijd waren er problemen met de fabricage ervan en ook lukte het nog niet om quantumberekeningen te verrichten met alleen deze transistors. De onderzoekers van TNO en QuTech zijn er nu in relatief korte tijd in geslaagd om werkende transistors op basis van germanium te produceren. "Germanium is in ruim één jaar tijd ontwikkeld van een materiaal waarmee stabiel gebouwd kan worden, naar een platform waarop quantumberekeningen uitgevoerd worden", zegt Nico Hendrickx van QuTech.

De onderzoekers tonen aan dat een enkele transistor van germanium als quantumbit kan functioneren, wat de weg opent naar gebruik op grotere schaal. Meer precies demonstreren ze een universele quantumgate met gate-tijd van 20 nanoseconden en een berekening met twee qubits die in 75 nanoseconden verricht werd.

Ze beschrijven dat tot nu toe aan de ene kant quantumdots op basis van galliumarsenide, of GaAs, goede eigenschappen voor het controleren van de qubits vertoonden, terwijl aan de andere kant betrouwbare quantumberekeningen met twee qubits op basis van silicium uitgevoerd kunnen worden. De transistors, of preciezer gezegd hole quantum dots, op basis van germanium zouden die goede eigenschappen combineren.

De allereerste transistors werden in de jaren veertig van de vorige eeuw al gebaseerd op germanium, maar silicium kreeg daarna de voorkeur van de halfgeleiderindustrie, omdat dit materiaal goedkoper is en makkelijker te gebruiken was bij de fabricage.

De onderzoekers beschrijven hun werk onder de titel Fast two-qubit logic with holes in germanium in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.