D-Wave: lachertje onder quantumcomputers blijkt supermachine

Ooit ridiculiseerden informatici de quantumcomputers van het Canadese bedrijf D-Wave Systems. Nu worden diezelfde computers gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek. Vanwaar die omslag en hoe werken hun machines eigenlijk? ‘De houding in het vakgebied is minder puristisch geworden.'
 

De grootste quantumcomputer ter wereld is volgens de meeste deskundigen de Osprey van IBM, met 433 quantum­bits of qubits. Best veel, vergeleken met bijvoorbeeld vijf jaar geleden. Maar bij de 5342 qubits van de Advantage van D-Wave Systems steekt het toch wat magertjes af. Bovendien is de Advantage, anders dan de Osprey, gewoon te koop voor iedereen met genoeg geld. 

De Advantage is een vreemde eend onder de quantum­computers. Sinds D-Wave in 2007 zijn eerste prototype aan de pers presenteerde, hebben de machines van het Canadese bedrijf altijd een flink grotere capaciteit gehad dan de quantumcomputers die algemeen als de grootste van dat moment werden beschouwd.

Academische kritiek is verstomd

Dat is één kant van het D-Wave-raadsel.

De andere kant is dat het bedrijf in zijn beginjaren zo’n beetje werd uitgekotst door de academische gemeenschap, maar er wel in slaagde computers te verkopen aan een stel grote Amerikaanse partijen: vliegtuigbouwer Lockheed Martin (samen met de University of Southern California), Google (samen met NASA) en het Los Alamos National Laboratory. 

De laatste jaren verstomde de academische kritiek. Apparaten van D-Wave worden nu zelfs gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek. Hoogste tijd om licht op het raadsel te werpen.

Quantumfysicus en worstelkampioen

D-Wave Systems werd in 1999 opgericht door Geordie Rose, een pas gepromoveerd quantumfysicus die daarnaast nog tijd had gevonden om Canadees kampioen worstelen en wereldkampioen Braziliaans jiujitsu te worden. Hij viel op met zijn indrukwekkende wenkbrauwen en bloemkooloren, en met uitspraken als: ‘I’m not okay with losing at anything. At all.’

Later, toen hij al niet meer bij het bedrijf was betrokken, haalde hij nog een keer het Guinness Book of World Records met het eten van de grootste hoeveelheid yoghurt in een minuut.

Dat competitieve was in de eerste jaren typerend voor D-Wave. De bijbehorende grootspraak over wat de computers van het bedrijf wel niet allemaal zouden kunnen, leidde tot veel ergernis en ridiculisering in de academische wereld van de quantuminformatica.
 

Twijfel over quantumeffect

Sommigen betwijfelden zelfs of de processor wel echt gebruikmaakte van quantumeffecten. Hield D-Wave anderen voor de gek, of vooral zichzelf?

Na de turbulente beginjaren werd het stiller rond het bedrijf, maar het bleef wel bestaan en bracht om de zoveel jaar een nieuwe, grotere versie van zijn computer uit – en wist die ook af en toe aan een groot bedrijf te verkopen. Maar die computer telde dan niet mee als grootste quantumcomputer. 

Optimaliseringsproblemen

De reden was dat de machines van D-Wave niet universeel zijn, maar voor een specifieke toepassing zijn bedoeld: zogenoemde discrete optimalisatieproblemen. Het bekendste voorbeeld daarvan is het handelsreizigersprobleem: vind de volgorde met de kortste reisafstand voor het bezoeken van een aantal steden.

Veel bedrijven hebben met dat soort problemen te maken als ze proberen de kosten van hun productie­processen te minimaliseren. Andere voorbeelden van discrete optimalisatieproblemen zijn het vouwen van een eiwit, het optimaliseren van een aandelenportfolio, en ook machine learning – dat zelf weer op allerlei gebieden toepassingen heeft.

 

Wat is quantum annealing?

Voor het vinden van goede oplossingen voor die problemen zijn computers met slimme zoekstrategieën nodig. D-Wave dankt zijn bestaan aan het feit dat natuurkundigen in de jaren negentig de nieuwe zoekstrategie quantum annealing(QA) hadden bedacht. Die beloofde de bestaande methoden te overtroeven door de inzet van quantummechanische processen.

Quantumfysicus Rose wilde het bedrijfs­leven een superieure optimalisatietechnologie bieden met een speciaal voor QA gebouwd apparaat, de quantum annealer. Die wijkt overigens nog in een ander opzicht van de ‘gewone’ digitale quantumcomputer af: hij werkt analoog.

 

Kwetsbaarheid van qubits

De grote hindernis bij het opschalen van de universele quantumcomputer is de kwetsbaarheid van de qubits voor verstoringen van buitenaf. Op dat vlak had D-­Wave een belangrijk voordeel: het QA-proces is relatief ongevoelig is voor fouten in de qubits.

Het eerste commerciële model D-Wave One uit 2011 had dan ook meteen 128 qubits. Het was al in staat eenvoudige optimalisatieproblemen op te lossen, die ook gewone computers nog gemakkelijk aankonden.

Quantumvoordeel

Over de waarde van de nieuwe technologie ontstond destijds een verhit debat, dat lang aanhield. Het duurde twee jaar voordat onafhankelijke onderzoekers konden aantonen dat de machine daadwerkelijk quantumeffecten
gebruikte bij het rekenen.

Maar D-Wave had nog meer te bewijzen. QA was namelijk, net als veel andere quantumprocessen, goed te simuleren op een klassieke computer. De vraag was dan ook: waarom investeren in een duur, nieuw apparaat als het langs een omweg ook met de bestaande computers kan? 

Het bedrijf kwam de eerste jaren herhaaldelijk op de proppen met een rekentaak waarin de annealer de simulatie op de klassieke computer zou verslaan, maar even zo vaak werden die claims doorgeprikt. D-Wave had nog een ander argument.

 

Quantum advantage

Op een klassieke computer groeit de rekentijd over het algemeen exponentieel met de grootte van de taak, en dat zou op de annealer veel langzamer (polynomiaal) gaan. Dus als de capaciteit van de nieuwste annealer steeds groter wordt, moet er een moment komen dat hij berekeningen aankan die geen enkele klassieke computer hem kan nadoen.

Dat zogenoemde quantum advantage is inderdaad aangetoond voor sommige algoritmen voor de universele quantumcomputer. Maar er kwam geen bewijs dat dit ook voor annealer-processen geldt. 

Ondanks dat alles wist D-Wave steeds weer investeerders aan te trekken en een paar prestigieuze klanten binnen te halen. Boze tongen beweerden dat die alleen maar bleven komen omdat anderen hen waren voorgegaan – een soort perpetuum mobile van vertrouwen. 

Puristen

Des te opmerkelijker is het dat de sfeer rondom het bedrijf de laatste jaren duidelijk is veranderd. De kritiek is grotendeels verstomd.

‘De kijk van de wetenschappelijke gemeenschap op technologie zoals die van D-Wave is de afgelopen tien jaar veranderd’, is de verklaring van Barbara Terhal, hoogleraar Quantuminformatica aan de TU Delft. ‘Dat heeft ermee te maken dat de ontwikkeling van de universele quantumcomputer minder vlot is verlopen dan we hadden gehoopt. De houding is daardoor minder puristisch geworden, meer van: laten we kijken wat we kunnen doen met wat we al wel hebben. Ik heb zelf nog steeds het meeste vertrouwen in de universele quantumcomputer, maar ook met een quantum annealer kunnen interessante resultaten te boeken zijn.’

Dat blijkt ook uit het feit dat er met enige regelmaat nieuws is over wetenschappelijk onderzoek dat met de annealer is gedaan. Nog vorig jaar schafte het Duitse Forschungszentrum Jülich voor dat doel een exemplaar aan.

Verrassend aan het nieuws is dat het meestal niet over optimalisatieproblemen gaat, maar over een heel andere toepassing – zodat de annealer achteraf toch minder eenzijdig blijkt dan hij jarenlang leek. Als quantumsysteem is het apparaat namelijk ook heel goed in staat het quantumgedrag van materialen en moleculen in de chemie te imiteren. Dat gedrag is moeilijk te simuleren op een klassieke computer. 

Nieuwe materialen met exotische eigenschappen

Een recent, opvallend resultaat komt van de onderzoeksgroep van Daniel Lidar van de Amerikaanse University of Southern California. Die heeft met een annealer laten zien dat een quantummechanische faseovergang in een exotisch materiaal – een zogenoemde eendimensionale Ising-keten – precies zo ging als de Schrödinger­vergelijking voorspelde.

Experts hopen dat dit soort simulaties het in de toekomst mogelijk maakt materialen met nieuwe, exotische eigenschappen te ontwerpen.

Optimalisatieproblemen

D-Wave zelf werkt ondertussen verder aan optimalisatieproblemen. Het biedt een groot pakket diensten aan bedrijven, die online gebruik kunnen maken van annealers die bij D-Wave staan opgesteld.

Of dat – ­samen met de toepassingen in de wetenschap – uiteindelijk genoeg is om het voortbestaan van het bedrijf te garanderen, blijft de vraag. Het lijkt erop dat D-Wave het zelf inmiddels ook verstandig vindt op meer dan één paard te wedden. Een tijdje geleden heeft het aangekondigd ook universele quantumcomputers te gaan bouwen.  

Tekst: Timo Können
Beeld: D-Wave; foto helemaal boven: De processor van de Advantage zit in het midden van de printplaat, eromhee de aansturende elektronica.