De quantumcomputer is er wel en niet tegelijk

Wereldwijd hoort QuTech tot de top op het gebied van quantum computing en quantumcommunicatie. Het Delftse intituut heeft nog geen quantumcomputer online staan, maar wel de eerste Nederlandse simulator. Als de quantumlogica hier ook geldt, komt de hardware er met verdubbelde snelheid aan.

Stel: er ligt een pak van 52 geschudde speelkaarten op tafel en je wilt daar de harten aas uit pakken. Hoeveel kaarten moet je bekijken om met een grote kans die harten aas te vinden? Wil je hem met een kans van 90% vinden, dan moet je 0,9*52 = 47 kaarten bekijken, zou Lov Grover, de Indisch-Amerikaanse computerwetenschapper, zeggen. Een mens kan dat in minder dan een minuut en een computer nog veel sneller, maar toch zouden ze beiden minstens 47 kaarten één voor één moeten bekijken en moeten vergelijken met de harten aas om met 90% kans die ene kaart te vinden. 

Grover bedacht dat quantumcomputers dit soort vraagstukken veel sneller zouden kunnen oplossen. In 1996 tekende hij één van de eerste algoritmes hiervoor op, dat we nu kennen als Grover’s algoritme. “De kracht van de quantumcomputer is dat je maar 7 keer een vergelijking hoeft te maken tussen de harten aas die je zoekt en de stapel kaarten waar die kaart in zit, bijna alsof je maar 7 kaarten hoeft te bekijken om met 90% kans die harten aas te vinden”, zegt system engineer Richard Versluis. Hij kan het weten, want hij is degene die de systeemeisen van de eerste online quantumcomputer van ons land bepaalt. 

Kan een quantumcomputer straks meer dan speelkaarten omdraaien? Nou en of, de beloften zijn groot. Onderzoekers hopen revolutionaire nieuwe materialen te ontdekken door het gedrag van materialen tot op atoomniveau te simuleren; data te versleutelen met een bijna perfecte veiligheid; codes te kraken die met onze huidige computers onbreekbaar zijn; en heel precies te voorspellen hoe het klimaat op aarde verandert. 

Richard Versluis: “Met elke qubit die je toevoegt, verdubbel je de rekenkracht.” Foto © Sam Rentmeester

Wonderlijke eigenschap

De kracht van quantum laat zich het best uitleggen aan de hand van een metafoor: een gewone computer praat in bits, waarbij een bit een 1 of een 0 kan zijn, laten we zeggen een kop of een munt. Bij quantum blijft die munt rondjes draaien; een quantumbit (qubit) kan ook een 1 en een 0 tegelijkertijd zijn, een wonderbaarlijk fenomeen dat bekend staat als superpositie. Daarnaast hebben qubits de minstens zo wonderlijke eigenschap dat ze elkaar kunnen beïnvloeden als ze niet fysiek met elkaar verbonden zijn, iets wat verstrengeling heet. Het belangrijkst om te weten is dat hierdoor meerdere berekeningen tegelijkertijd uitgevoerd kunnen worden. 

Voor gewone computers maken een paar extra bits niet zo heel veel uit, maar in de quantumwereld wel

Zowel IBM als Microsoft, Google en Intel houden zich bezig met het bouwen van een quantumcomputer, maar tot nu toe lijkt er nog geen te bestaan die zich kan meten met de gewone computer. De grootste uitdaging is het opschalen naar grotere aantallen qubits en het aansturen van die qubits. Voor gewone computers maken een paar extra bits niet zo heel veel uit, maar in de quantumwereld wel. “Met elke qubit die je toevoegt, verdubbel je de rekenkracht”, zegt Versluis. 

Jorrit van Wakeren: “Wij bieden nu het eerste platform voor het uitvoeren van quantumalgoritmes.” Foto © Sam Rentmeester

Quantum Inspire

Ook QuTech, een samenwerking van de TU Delft en TNO, werkt aan een quantumcomputer . In tegenstelling tot IBM en Rigetti gokt QuTech niet op één type qubit, maar bouwt het instituut een platform waarmee verschillende typen qubits kunnen worden gebruikt. Dat gebeurt in het natuurkundegebouw van de TU Delft. De muren zijn net gewit en uit het ongestucte plafond komt een witte ronde metalen buis, die van binnen is  bekleed met glimmend koper. Boven de buis prijkt in paarsblauwe neonletters: Quantum Inspire. Zo heet het platform dat Qutech begin september lanceerde. 

Jorrit van Wakeren is als projectmanager verantwoordelijk voor Quantum Inspire. Hij wil het publiek alvast laten kennismaken met de quantumcomputer en met het verzinnen van nieuwe soorten algoritmes in de nieuwe quantumcomputertaal QASM. “Het vereist een andere manier van denken, iets wat de volgende generatie moet leren”, zegt hij. Ook wil Van Wakeren aan bedrijven laten zien wat zij in de toekomst aan een quantumcomputer kunnen hebben, zodat ze begrijpen waarom ze nu in de ontwikkeling ervan moeten investeren.  

Werkende simulator

De eerste stap richting een Delftse quantumcomputer is sinds kort genomen: er is een werkende simulator van 37 qubits, de maximale capaciteit die de supercomputers bij het nationale support center Surfsara aankunnen. “Zo’n simulator is superbelangrijk, omdat je er achter wilt komen hoe zoveel qubits bij elkaar hun werk doen”, zegt Thorsten Last die verantwoordelijk is voor de integratie van de hardware.

De grootste uitdaging is het opschalen naar grotere aantallen qubits

Hij vervolgt: “Qubits hebben de lastige eigenschap steeds te worden verstoord, onder meer door verschillen in temperatuur, het magnetisch veld of door losse atomen, waardoor hun levensduur kort is. Daarom is het belangrijk om qubits stabiel te krijgen. De qubits waar wij mee werken, koelen we tot vlakbij het absolute nulpunt (-273 graden Celcius, red). Dit is nodig om de quantummechanische eigenschappen te verkrijgen. Ook werken we met silicium, een materiaal dat de levensduur van de qubits relatief lang maakt en bovendien al  standaard is in de halfgeleider industrie, wat commercialisering en opschaling vergemakkelijkt.

De eerste chip waar QuTech nu aan werkt, met het team van professor Lieven Vandersypen die expert is op het gebied van electron spin qubits, heeft 2 silicium spin qubits. Dat lijkt een klein aantal vergeleken met de supergeleidende qubits waar IBM (tot 20 qubits) en Google (72 qubits) aan werken. Maar er is nóg een belangrijke andere reden dat het team silicium gebruikt in plaats van supergeleidende qubits. “Een quantumcomputer met een miljoen supergeleidende qubits is net zo groot als een voetbalveld, dus die technologie is niet goed schaalbaar”, zegt Versluis. Last vult aan: “Een chip met tien supergeleidende qubits is al centimeters lang, terwijl tien qubits op silicium maar 700 nanometer nodig hebben. Dat is minder dan een micron”. Het team hoopt in 2019 de eerste quantumcomputer met silicium spin qubits  ter wereld online te hebben. 

Thorsten Last: “We werken met silicium, een materiaal dat de levensduur van de qubits relatief lang maakt.” Foto © Sam Rentmeester

Toekomst

“Maar we hebben pas een quantumcomputer op het moment dat je er dingen mee kunt die je niet kunt simuleren en dus niet met een gewone computer kunt doen”, zegt Versluis. “Als we er codes mee kunnen kraken en er chemische eigenschappen van medicijnen mee kunnen doorrekenen, dan zijn we 15 tot 20 jaar verder.” Toch is dat tijdspad vergelijkbaar met de ontwikkeling van de huidige computers, relativeert Van Wakeren. Immers, twintig jaar geleden zag de eerste qubit het levenslicht en nu zijn we bezig met het schrijven van de eerste code voor de eerste quantumcomputer. Dat terwijl in de jaren vijftig van de vorige eeuw de eerste transistors verschenen en twintig jaar later de eerste thuiscomputer bij het Marin Computer Centrum publiek werd. Hij besluit: “We bieden nu het eerste platform voor het uitvoeren van quantumalgoritmes. Hoe het tijdspad er voor de toekomst uit zal zien, is nauwelijks aan te geven, omdat we nog nauwelijks begrijpen hoe ingewikkeld de toekomstige quantumcomputer echt is.” 

/* */