De quantumcomputer van Google – echt of nep?

Vorige week dook ineens de D-Wave weer overal in het nieuws op. Deze quantumcomputer werd gekocht door Google en NASA en weet met enige regelmaat de wereldwijde pers te halen als eerste tastbare quantumcomputer. Veel fysici blijven echter sceptisch – is de quantumcomputer van Google nu echt of nep?

Met een inspirerend filmpje (zie hieronder) stelde Google haar nieuwe quantumcomputer aan de wereld voor. De D-Wave is volgens fabrikant D-Wave Systems de eerste commercieel verkrijgbare quantumcomputer. In 2011 lanceerde het bedrijf de eerste versie van die computer, de D-Wave One, die volgens hen over 128 qubits beschikt. Qubits zijn quantummechanische versies van de bit, de nullen en enen van digitale informatie. Dankzij de vreemde eigenschappen van de quantummechanica kan een qubit echter niet alleen nul of een zijn, maar ook nul én een. Dat is een van de redenen dat quantumcomputers in theorie heel veel sneller kunnen rekenen dan de computers die wij op dit moment gebruiken.

Terwijl fysici over de hele wereld nog proberen hun quantumcomputers op te schalen van enkele naar tientallen qubits, dook in 2011 uit het niets dus ineens de D-Wave One op, die gebruik maakte van grofweg tienmaal zoveel qubits als fysici in het lab konden laten samenwerken. Wat D-Wave Systems claimde was een gigantische sprong vooruit, maar de doorbraak werd nooit beschreven in een peer reviewed vakblad. Het enige dat aan de D-Wave One vooraf ging was een persconferentie in 2007, waar het bedrijf een testversie met 16 qubits toonde. Met die persconferentie wisten ze de aandacht van Google te trekken. Het bedrijf gaf derden bovendien geen inzicht in de door hen gebruikte methoden en technieken – iets dat mensen uit de wetenschappelijke gemeenschap direct sceptisch maakte.

Afgelopen mei herhaalde de fabrikant dat kunstje toen zij, samen met Google en NASA, de D-Wave Two aankondigden. Deze nieuwe versie van de quantumcomputer beschikt volgens hen zelfs over 512 qubits.

De D-Wave chip met daarin 128 qubits – een enorme doorbraak. Althans: als de claims van de fabrikant kloppen.

Fysicus Ronald Hanson, die aan de TU Delft werkt aan de ontwikkeling van quantumcomputers, roemt desgevraagd de ‘fantastische PR-machine’ van de D-Wave, maar neemt de claims van de fabrikant ook met een grote korrel zout. ‘Algemeen kan ik zeggen dat wij onder een quantumcomputer een universele machine verstaan die alle mogelijke quantumberekeningen kan uitvoeren, terwijl D-Wave focust op een speciale implementatie die ook veel beperkter is in de toepassingen’, zegt Hanson.

Ook theoretisch-fysicus en quantumcomputer-expert Carlo Beenakker van de Universiteit Leiden is sceptisch. Volgens hem is er ‘geen enkele aanwijzing’ dat de D-Wave sneller rekent dan gewone computers door gebruik te maken van de eigenschappen van de quantummechanica. Volgens Beenakker heeft de binnenkant van de D-Wave ‘niks te maken met wat we verstaan onder de quantumcomputer’. Bovendien, voegt Beenakker daaraan toe, denkt hij dat ‘deze opvatting gedeeld wordt door vrijwel iedereen die hier serieus naar gekeken heeft.’

De boodschap is duidelijk: ondanks de uitstekende PR-machine, verkoopt D-Wave systems iets anders dan wat fysici als Hanson in hun labs proberen te ontwikkelen. Toch heeft deze quantumcomputer sinds 2011 ook iets aan geloofwaardigheid gewonnen. De eerste manier waarop dat gebeurde is weinig inhoudelijk, maar publicitair desondanks zeer belangrijk: door verbonden te zijn aan gerespecteerde partners als Google en NASA.

Wetenschappelijk veel belangrijk is echter dat D-Wave inmiddels meer heeft losgelaten over hoe hun computer werkt, waaronder een in 2011 in het vakblad Nature gepubliceerd bewijs van quantumgedrag in een versie van hun computer met slechts 8 qubits. In 2013 volgende een publicatie op de wetenschappelijke voorpublicatiesite Arxiv waaruit zou moeten blijken dat de D-Wave ook quantumgedrag vertoonde in de 128-qubit variant die in 2011 op de markt verscheen. Op die publicatie volgde uit de natuurkundewereld echter ook meteen kritiek met nieuwe Arxiv-publicaties, waaruit zou blijken dat dit juist helemaal nog niet bewezen is.

Wat uit al die informatie in elk geval blijkt is dat D-Wave een zeer gespecialiseerde machine heeft gebouwd die slechts goed is in één type quantumberekening. De computer is specifiek gemaakt voor optimaliseringsproblemen – het soort probleem waarin de computer moet zoeken naar de best mogelijke uitkomst gegeven een aantal criteria die allemaal gelden. Een voorbeeld is de verdeling van zitplaatsen bij een huwelijk, waarbij sommige gasten beste vrienden zijn en naast elkaar moeten zitten en anderen juist gezworen vijanden zijn die zo ver mogelijk uit elkaar geplaatst moeten worden.

In een publicatie in Nature in 2012 bleek dat de D-wave in staat was uitkomsten te genereren voor een optimalisatieprobleem rond de mogelijke manieren om eiwitten te vouwen. Afgelopen mei beschreven onderzoekers van de University of Southern California in het vakblad Quantum Information Processing bovendien hoe zij op de D-wave een algoritme lieten draaien dat kon aantonen of computersoftware vrij van fouten was – iets dat volgens hen met een klassieke computer onmogelijk is. Tot slot bleek eerder dit jaar, uit onderzoek gepubliceerd in Proceedings of the ACM International Conference on Computing Frontiers dat de nieuwe machine van D-Wave, de D-Wave Two, optimaliseringsproblemen van het type waarvoor het gebouwd is in een halve seconde kon oplossen, terwijl zeer snelle IBM-computers daar een half uur over deden.

De conclusie lijkt duidelijk: of de D-Wave nu een quantumcomputer is of niet, de machine is in elk geval nuttig. Toch staat zelfs die conclusie ter discussie. In een (voor zover ik kan zien) nog niet in een vakblad gepubliceerde test, wordt  aangetoond dat de D-Wave het zelfs op zijn eigen expertisegebied – optimaliseringsproblemen – verliest van een gewone laptop met een heel efficiënt oplosalgoritme (meer informatie over die discussie vind je hier).

De auteur van het artikel waarin werd aangetoond dat D-Wave voor bepaalde problemen slechts een halve seconde nodig heeft, heeft bovendien bevestigd dat zij in haar onderzoek de prestaties van de D-Wave alleen heeft vergeleken met de prestaties van een aantal softwarepaketten en niet met alle computers. Zij kan dus in het algemeen niet kan zeggen of de D-Wave wel of niet sneller werkt dan een gewone computer.

Daarom lijkt het vooralsnog verstandig de hype rond de D-Wave met een korreltje zout te nemen. Om de zaak nog eenmaal samen te vatten, zijn dit de drie grote problemen met de D-Wave die je in je achterhoofd moet houden wanneer je berichten over deze machine leest:

1. Ondanks publicaties over de prestaties van de computer in vakbladen en meer openheid van de fabrikant over hoe de D-Wave van binnen werkt, staat het nog altijd niet onomstotelijk vast dat de D-Wave quantummechanisch gedrag vertoont in versies groter dan een chip met daarop 8 qubits (qua grootte vergelijkbaar met wat men nu in andere labs kan bouwen).

2. Zelfs als bewezen is dat de D-Wave rekent met quantummechanische eigenschappen, is de computer nog steeds onvergelijkbaar met een universele quantumcomputer, die ingezet kan worden voor alle mogelijke rekenproblemen. Daaraan werken fysici als Hanson aan de TU Delft, maar ook softwaregiganten als Microsoft en zelfs het Amerikaanse leger. De komst van een universele quantumcomputer is een veel grotere doorbraak dan het bestaan van de D-wave – hoewel het ontegenzeggelijk boeiend en belangrijk is dat er überhaupt gerekend wordt met behulp van de gekke effecten van de quantummechanica.

3. Tot slot blijkt de D-Wave mogelijk niet eens beter in zijn expertisegebied dan gewone computers. Wel hebben onderzoeken onomstotelijk vastgesteld dat de computer in elk geval iets kan – of de berekeningen nu quantummechanisch gebeuren of niet.

Kortom: als het bewezen wordt dat de D-Wave daadwerkelijk quantumrekent, is dat een doorbraak en verdienen de makers een grote pluim. Maar hoe inspirerend de pr-filmpjes van Google ook mogen zijn, ik zet mijn geld voor de echte sprongen vooruit voorlopig op fysici zoals Hanson en Beenakker, die sleutelen aan de complete quantumcomputer die met zijn komt een nieuwe ICT-revolutie zou kunnen inluiden.

(Over die aanstaande quantumrevolutie – en de lange weg er naartoe – schrijf ik uitgebreid in het komende nummer van New Scientist, dat vrijdag 25 oktober in de winkel zal verschijnen).