Certifying bipartite entanglement on a superconducting processor from a corrected QAOA cost layer

In de race om nuttige kwantumcomputers te bouwen, werken wetenschappers momenteel met machines die krachtig maar fragiel zijn. Deze apparaten, vaak noisy intermediate-scale quantum processors genoemd, zijn gemaakt van supergeleidende circuits die informatie kunnen vasthouden in een staat genaamd superpositie, waarbij een bit zowel nul als één tegelijk kan zijn. De echte magie vindt echter plaats wanneer twee of meer van deze bits verbonden raken in een fenomeen dat verstrengeling (entanglement) wordt genoemd. Wanneer deeltjes verstrengeld zijn, beïnvloedt de staat van het ene deeltje onmiddellijk de staat van het andere, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Deze verbinding is de motor die kwantumalgoritmen aandrijft, waardoor ze bepaalde problemen veel sneller kunnen oplossen dan klassieke computers ooit zouden kunnen. Maar omdat deze machines zo gevoelig zijn voor hun omgeving, breken de verbindingen tussen deeltjes vaak of worden ze zwak voordat de computer zijn werk kan afmaken. Een grote vraag voor het vakgebied is geweest of de complexe circuits die onderzoekers ontwerpen daadwerkelijk deze speciale verbinding creëren op echte hardware, of dat de machine simpelweg faalt op een manier die op succes lijkt.

Een nieuwe studie van een onderzoeksteam van de CUNEF Universiteit in Madrid, dat werkt aan een supergeleidende processor bij het Barcelona Supercomputing Center, geeft een definitief antwoord op die vraag voor een specifieke opstelling. De onderzoekers testten een standaard kwantumalgoritme dat ontworpen is om optimalisatieproblemen op te lossen, wat het arrangeren van een reeks operaties inhoudt om de beste oplossing te vinden tussen vele mogelijkheden. Ze richtten zich op een enkele laag van dit algoritme, een stap die bedoeld is om een verbinding te creëren tussen twee specifieke qubits. In plaats van alleen te controleren of de computer een goed antwoord gaf, voerden ze een diepgaande, forensische inspectie uit van de output van de machine. Ze reconstrueerden de exacte staat van de twee qubits na de operatie en maten een specifieke eigenschap die bewijst dat ze echt verstrengeld waren. Het resultaat was duidelijk: op een goed functionerende verbinding binnen de chip creëerde de machine werkelijke verstrengeling. De sterkte van deze verbinding werd gemeten op een waarde van 0,077, een getal dat, hoewel klein, statistisch significant was en over zes verschillende dagen van testen als echt werd bevestigd. Cruciaal was dat wanneer ze de verbinding tussen de qubits uitschakelden, de verstrengeling volledig verdween, wat bewees dat de link niet een artefact was van de achtergrondruis van de machine of een trucje van de meting.

De studie gaat verder door precies te laten zien wat deze fragiele verbinding controleert. De onderzoekers behandelden de machine als een laboratoriuminstrument dat ze konden afstemmen, in plaats van als een black box. Ze pasten doelbewust de sterkte van de elektrische puls aan die wordt gebruikt om de verbinding tussen de qubits te creëren. Door de amplitude van deze puls te verlagen, observeerden ze een directe, causale daling in de sterkte van de verstrengeling. Dit bevestigde dat de fysieke drive van de machine, en niet alleen het abstracte ontwerp van de code, de beslissende factor was. Ze ontdekten echter ook dat deze relatie geen eenvoudige rechte lijn is die eeuwig doorgaat. De verbindingssterkte piekt op een specifiek punt en begint vervolgens te dalen als de puls te hard wordt gepusht, vergelijkbaar met een radiosignaal dat duidelijker wordt tot een bepaald punt en dan vervormt als het volume te hoog wordt gedraaid. Deze nuance is essentieel omdat het laat zien dat het simpelweg verhogen van het vermogen van de machine geen betere resultaten garandeert; de controle moet precies zijn.

Misschien wel de belangrijkste bevinding van het artikel is wat er gebeurt wanneer de onderzoekers proberen het algoritme dieper en complexer te maken. In de wereld van kwantumcomputing wordt het toevoegen van meer lagen aan een algoritme vaak gezien als een manier om dichter bij het perfecte antwoord te komen. In deze studie vonden de onderzoekers echter dat het toevoegen van slechts twee extra lagen aan hun circuit ervoor zorgde dat de verstrengeling volledig verdween. De verbinding die sterk was bij de eerste stap, stortte bij de derde stap in tot nul, zelfs terwijl het theoretische ontwerp suggereerde dat deze er nog steeds zou moeten zijn. Deze instorting gebeurde zo snel dat de machine de complexe circuit niet kon volhouden. Het team testte ook een grotere groep problemen op dit diepere niveau en vond geen enkel teken dat de computer ze beter oploste dan door toeval. Ze waren er zorgvuldig in dat de problemen die ze kozen eigenlijk zeer eenvoudig waren en direct door een standaard computer kunnen worden opgelost, dus er was geen claim van een snelheidsvoordeel. De waarde van het werk ligt niet in het oplossen van een moeilijk probleem, maar in het rigoureus bewijzen van wat de machine wel en niet kan.

De onderzoekers adresseerden ook een veelvoorkomende valkuil in het vakgebied: het risico dat een computer lijkt te werken vanwege een fout in de manier waarop de instructies zijn geschreven. Ze ontdekten een fout in een eerdere poging waarbij de code die ze gebruikten per ongeluk de verbinding die ze probeerden op te bouwen, tenietdeed. Om dit in de toekomst te voorkomen, bouwden ze een veiligheidscontrole in hun proces die verifieert of de instructies correct zijn voordat de machine zelfs maar begint te draaien. Ze vergeleken hun resultaten ook met een eenvoudigere methode om verstrengeling te controleren die sneller maar minder precies is. Ze vonden dat hoewel deze snellere methode een aanwijzing gaf dat verstrengeling aanwezig was, het niet sterk genoeg was om het met zekerheid te bewijzen op deze specifieke machine. Deze eerlijke beoordeling van de grenzen van verschillende meetinstrumenten is een essentieel onderdeel van hun bijdrage.

Uiteindelijk dient dit artikel als een rigoureus rapportcijfer voor een enkele kwantumprocessor. Het bevestigt dat de machine de essentiële kwantumverbinding kan creëren wanneer de omstandigheden juist zijn en de circuit eenvoudig is. Het bewijst dat deze verbinding wordt gecontroleerd door de fysieke pulsen die naar de chip worden gestuurd en dat deze verdwijnt als die pulsen te zwak zijn of als de circuit te diep is voor de machine om te verwerken. Door fouten in de code uit te sluiten, de directe oorzaak-gevolgrelatie van de controles aan te tonen en toe te geven waar de machine faalt, biedt de studie een helder, ongefilterd beeld van de huidige staat van de kwantumhardware. Het laat zien dat hoewel de technologie in staat is tot de fundamentele fysica die vereist is voor kwantumcomputing, het nog ver verwijderd is van het kunnen draaien van de complexe, meerstaps-programma's die nodig zijn voor een praktisch voordeel. Het werk staat als een model voor hoe men deze machines moet meten en rapporteren, waarbij de nadie ligt op bewijs en transparantie boven hype.