Quantum computing belooft problemen op te lossen die momenteel onmogelijk zijn voor onze krachtigste supercomputers, maar het bouwen van de software om deze machines aan te sturen is een fragiele en verwarrende taak. In tegen tegenstelling tot klassieke computers, die informatie verwerken als eenvoudige aan/uit-schakelaars, gebruiken quantummachines "qubits" die tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen bestaan. Om ze te laten werken, moeten programmeurs ingewikkelde sequenties van operaties construeren, waarbij ze vaak code schrijven die direct spreekt tot de fysica van de machine. Dit vereist een zeldzame combinatie van vaardigheden: een diep begrip van quantummechanica, het vermogen om complexe code te schrijven, en bekendheid met een snel veranderend landschap van verschillende softwaretools. Elk groot technologiebedrijf en elke onderzoeksgroep heeft zijn eigen manier gebouwd om met quantumhardware te communiceren, gebruikmakend van verschillende talen en regels. Deze fragmentatie maakt het moeilijk om te weten of een resultaat correct is, omdat een fout in de code, de gebruikte tool, of de machine zelf zou kunnen zitten.

Een team van onderzoekers uit Brazilië heeft een nieuwe manier ontwikkeld om door deze complexiteit te navigeren, waarbij ze quantumsoftware behandelen als een stroom water door een reeks pijpen in plaats van een muur van tekst die geschreven moet worden. Ze creëerden een systeem genaamd Quanifi, waarmee gebruikers quantumprogramma's kunnen bouwen door vooraf gemaakte blokken op een visueel scherm te slepen en neer te zetten, vergelijkbaar met het assembleren van een printplaat zonder ooit een draad te solderen. De genialiteit van hun aanpak ligt in de manier waarop ze deze programma's testen. In plaats van één versie van een berekening op één enkele machine uit te voeren, voert hun systeem hetzelfde probleem gelijktijdig uit via drie verschillende softwaretools en op drie verschillende quantumcomputers. Dit creëert een raster van resultaten waarbij elke mogelijke combinatie tegelijkertijd wordt getest. Als de antwoorden verschillen, kan het systeem precies aanwijzen waar de fout is opgetreden: was het de softwaretool, de computerhardware, of de specifieke combinatie van beide?

De onderzoekers gebruikten deze methode om een klassiek zoekalgoritme uit te voeren, bekend als Grover's algoritme, dat ontworpen is om een specifiek item in een grote lijst te vinden. Ze bouwden dezelfde zoekroutine met drie verschillende softwareframeworks — Qiskit, Cirq en PennyLane — en stuurden deze naar drie verschillende quantumcomputers die zich op verschillende plekken in de wereld bevinden: één van IBM, één van IQM, en één van Quantum Inspire. Door de uitkomsten van deze negen verschillende paden te vergelijken, waren ze in staat om inconsistenties op te sporen die onzichtbaar zouden zijn gebleven als ze slechts naar één resultaat hadden gekeken. Dit proces, dat zij N×M-executie noemen, fungeert als een krachtig vangnet dat verborgen gebreken in het hele ecosysteem van quantumcomputing blootlegt.

Het onderzoek onthulde drie echte defecten in de tools en machines die in de industrie worden gebruikt. Het eerste probleem werd gevonden op een machine van Quantum Inspire. Wanneer de onderzoekers het Cirq-softwareframework gebruikten, gaf de machine consequent het verkeerde antwoord door de bits van het resultaat om te draaien. Echter, dezelfde software werkte perfect op de andere twee computers, en de andere softwareframeworks werkten prima op die specifieke machine. Dit specifieke falen wees op een probleem in hoe de adapter van de machine de Cirq-instructies vertaalde. Het bleek dat de adapter een specifiek type rotatiepoort gebruikte met de verkeerde richting, waardoor de qubits effectief de tegenovergestelde kant op draaiden van wat de bedoeling was. De onderzoekers bevestigden dit door de fout te simuleren en rapporteerden het vervolgens aan de aanbieder.

Een tweede defect betrof dezelfde Quantum Inspire-machine. De softwareadapter beweerde dat de machine bepaalde complexe operaties kon uitvoeren die hij in werkelijkheid niet kon. Wanneer de onderzoekers deze niet-ondersteunde operaties probeerden te gebruiken, faalde de machine geruisloos en produceerde hij foutieve antwoorden zonder een alarm te slaan. Dit benadrukte een kloof tussen wat de software beweerde dat de machine kon doen en wat hij daadwerkelijk kon doen. Het derde en misschien wel meest significante ontdekking betrof een clouddienst genaamd Open Quantum, die fungeert als een tussenpersoon waardoor gebruikers toegang krijgen tot verschillende quantumcomputers via één enkele interface. De onderzoekers stuurden exact dezelfde circuitbestanden naar een machine via zowel de directe verbinding als via deze clouddienst. Terwijl de directe verbinding goed werkte, leverde de clouddienst onjuiste resultaten op voor bepaalde typen circuits. De fout was subtiel: de dienst verwijderde geruisloos specifieke rotatiestappen uit de instructies, waardoor de berekening veranderde zonder de gebruiker hiervan op de hoogte te stellen. De aanbieder bevestigde deze parseerfout en herstelde deze kort na de melding.

De waarde van dit werk ligt niet alleen in het vinden van deze bugs, maar in de methode die wordt gebruikt om ze te vinden. Door elke combinatie van software en hardware tegelijkertijd uit te voeren, creëerden de onderzoekers een kaart van betrouwbaarheid die liet zien waar het systeem bezwijkt. Ze ontdekten dat sommige tools goed werken op sommige machines, maar falen op andere, en dat sommige clouddiensten fouten introduceren die onmogelijk te detecteren zijn als men alleen naar het eindresultaat kijkt. Deze aanpak vereist niet dat de gebruiker een expert is in quantumfysica of complexe code schrijft; het vereist simpelweg het assembleren van de blokken en het laten vergelijken van de resultaten door het systeem. De onderzoekers merkten op dat hoewel de vier-qubit versies van hun test te ruisgevoelig waren op sommige machines om harde conclusies te trekken, de twee-qubit tests duidelijk en beslissend waren.

Deze studie toont aan dat de weg naar betrouwbare quantumcomputing meer vereist dan alleen betere hardware; het vereist een manier om te verifiëren dat de software en de hardware correct samenwerken. De onderzoekers lieten zien dat door verschillende softwareframeworks en verschillende machines als onafhankelijke versies van dezelfde test te behandelen, zij fouten konden isoleren die anders verborgen zouden blijven. Ze rapporteerden alle drie de defecten die ze vonden, en de aanbieder van de clouddienst heeft de fout al bevestigd en gecorrigeerd. De andere twee kwesties met betrekking tot de Quantum Inspire-adapter staan nog onderhevig aan beoordeling. Het werk suggereert dat naarmate quantumcomputing van het laboratorium naar de echte wereld beweegt, dit soort kruiscontrole essentieel zal zijn om te garanderen dat de antwoorden die we krijgen ook daadwerkelijk juist zijn.