News - MSc-student takel een van kwantumberekening...
As 'n leerder in Sovetjheza Hoërskool in die landelike dorpie Matshiding, Mpumalanga, onthou Unathi Skosana hoe verstom hy was toe die fisiese wetenskap-onderwyser die periodieke tabel-liedjie in Ndebele gesing het, of olifanttandepasta uit 'n mengsel van waterstofperoksied, skottelgoedseep en 'n paar druppels voedselkleursel opgetower het.
Dit is waarskynlik dan ook geen wonder nie dat, toe hy in sy derde jaar aan die Universiteit Stellenbosch blootgestel is aan kwantummeganika, daardie verwondering met die natuurwetenskappe weer ingeskop het.
Vandag doen hy 'n MSc-graad in kwantumberekening en sy eerste navorsingsartikel, wat hy in samewerking met sy studieleier Prof Mark Tame geskryf het, is sopas in Nature Scientific Reports gepubliseer – een van die mees gesaghebbende vaktydskrifte in die wetenskaplike wêreld. Die artikel, 'n bewys-van-konsep demonstrasie van 'n kwantumorde-vind-algoritme vir die berekening van die heelgetal 21, is reeds 350 keer afgelaai en in twee artikels aangehaal deur navorsers uit Singapoer, Maleisië, Sjina, Spanje en Duitsland.
Prof Tame, bekleër van die Suid-Afrikaanse navorsingsleerstoel in fotonika in die US se Departement Fisika, sê hy was verheug toe Unathi besluit het om voort te gaan met die werk wat hy as 'n BSc Honneurs-student begin het deur kleinskaalse kwantumalgoritmes op IBM se kwantumverwerkers te demonstreer.
'Vir sy MSc het Unathi besluit om te kyk na die vooruitsig om Shor se algoritme op die IBM -kwantumverwerkers te demontreer deur die getal 21 te faktoriseer. Hy is 'n baie intelligente en belowende navorser, en glad nie huiwerig om van die moeilikste uitdagings in kwantumberekening aan te pak nie," beskryf hy sy student.
Shor se algoritme, in 1994 ontwikkel deur die Amerikaanse toegepaste wiskundige Peter Shor, word beskou as een van die kroonjuwele in kwantumberekening. Deur die wette van kwantummeganika in te span, het die algoritme 'n totaal nuwe en doeltreffende manier vir priemfaktorontbinding moontlik gemaak. Met ander woorde, alle bekende klassieke algoritmes vir faktorontbinding se aantal stappe groei eksponensieel soos wat die getal se syfervoorstelling langer word – 'n probleem wat vinnig vir tradisionele rekenaars amper onmoontlik word om op te los. Daarom vorm die probleem van priemfaktorontbinding die grondslag vir die RSA-enkripsieskema waarop 'n rits kommunikasie-protokolle steun.
Unathi verduidelik: "Tradisionele rekenaars verwerk inligting wat in bisse (die binêre syfers '0' óf '1') gestoor word. In kwantumberekening kan 'n kwantumbis ook inligting as a '0' of '1' voorstel, maar die kwabisse reageer fundamenteel anders. 'n Kwabis kan terselfdertyd 'n kombinasie van beide '0' én '1' voorstel – dit word 'n superposisie genoem. Deur gebruik te maak van die superposisie-funksie en ander vreemde verskynsels in die wêreld van kwantummeganika, soos verstrengeling, is kwantumrekenaars van nature beter én vinniger as tradisionele rekenaars om sommige berekeningsprobleme op te los."
Maar, ondanks verskeie pogings oor die afgelope dekades om Shor se algoritme vir klein getalle soos 21 te realiseer, was die resultate vol "geruis" (noise) en nie juis betekenisvol nie.
Om hierdie probleem aan te pak, het Unathi eers probeer om Shor se algoritme in sy oorspronklike vorm op die nuutste IBM -kwantumverwerkers te realiseer. Ten spyte van vele pogings was daar nog steeds te veel "geruis" en die resultate nie baie oortuigend nie.
"Kwantumtegnologie is nog in 'n vroeë ontwikkelingsfase. Dit is hoofsaaklik te wyte aan die inherente onstabiliteit van die kwabisse, wat hulle vatbaar maak vir foute," verduidelik Unathi.
'In die praktyk is die kwantum-aard van kwabisse 'n tweesnydende swaard, omdat dit hulle uiters sensitief maak vir ad hoc invloede uit die omringende makro-omgewing. Hoe langer die berekening aangaan, hoe meer word die kwabisse blootgestel en uiteindelik verwoes dit die berekening en lewer dit onbetroubare resultate," gaan hy voort.
Die deurbraak het gekom toe hulle begin speel met die idee om Shor se algoritme vir die faktorisering van 21 te verkort deur die Toffoli-hekke te vervang – 'n universele logiese operasie wat gebruik word in tradisionele berekenings – met meer kompakte logiese hekke, gepaard met heelwat slim wiskundige formules.
"Ons was verstom oor die betroubaarheid van die resultate en het besluit om dit op te skryf en 'n artikel aan Nature Scientific Reports voor te lê," verduidelik prof Tame. Die artikel, getiteld "Demonstration of Shor's factoring algoritme for N = 21 on IBM quantum processors" is op 16 Augustus 2021 gepubliseer.
Prof Tame sê hy het reeds in 2019 begin om met IBM se kwantumverwerkers te eksperimenteer. Destyds was hy nie juis beïndruk nie. Sedertdien word daar egter gereeld nuwe verwerkers van hoër gehalte bekendgestel, wat hom laat besluit het om die gebruik daarvan vir sy nagraadse studente te oorweeg. Hy het 'n voorstel by die Universiteit van Witwatersrand ingedien vir die gebruik van die IBM-kwantumverwerkers onder die vaandel van die African Research Universities 'Alliance (ARUA) – 'n netwerk van 16 van die voorste universiteite in Afrika.
"Toegang tot die IBM -kwantumverwerkers bied studente uit Suid -Afrika en Afrika 'n geleentheid om vaardighede in hierdie opkomende tegnologie aan te leer en te ontwikkel, en selfs 'n leidende rol te speel," sê hy.
Hy het onlangs begin om IBM-kwantumverwerkers in sy BSc Honneurs-lesings oor kwantuminligting in te sluit: "Studente kan kwantumberekeningstake op regte kwantumverwerkers uitvoer en hul resultate aan my voorlê om te kontroleer. In die toekoms hoop ek om die kursus ook vir nie-fisika-studente vanuit rekenaar- en datawetenskap oop te maak," voeg hy by.
Intussen is dit baie duur en tydrowend om die kwantumhardeware saam te stel wat nodig is om selfs kleinskaalse kwantumberekenings te doen.
Daarom pak Unathi nou 'n ander uitdagende taak aan: die bou van 'n bewys-van-konsep kleinskaalse kwantumrekenaar, gebaseer op die gebruik van ligdeeltjies (fotone). Die idee is om iets te bou wat soortgelyke resultate sal lewer as die IBM -kwantumverwerkers, maar op 'n manier wat beter geskik is tot die gebruik van fotone.
"Stel jou voor dat ons studente toegang tot ons eie kwantumverwerker kan gee," sê prof Tame. "Die studente wat meer teoreties ingestel is, kan hul idees onmiddellik op die proef stel, terwyl diegene wat belangstel in eksperimente met kwantummeganika, met die ware Jakob kan rondspeel."
Dit lyk asof Unathi meer as opgewasse is vir die taak, veral as hy noem dat hy inspirasie put uit individue soos Eratosthenes. Dié Griekse wiskundige en geograaf het tweeduisend jaar gelede die eerste meting van die omvang van die aarde gemaak, slegs op grond van die middagskaduwees tydens 'n dag-en-nag-ewening.
So wie sou sê dit is onmoontlik om jou eie kwantumverwerker in die Merensky-gebou hier op die US se kampus te bou!
Op die foto, van links na regs, Prof Mark Tame en MSc-student Unathi Skosana van die Universiteit Stellenbosch se Departement Fisika. Foto: Stefan Els