Stel je voor dat we een duurzaam alternatief voor plastic kunnen vinden door een quantum computer met artificial intelligence (AI) te combineren, en zo alle beste ideeën van chemici kunnen uitkiezen. Eliška Greplová past AI toe op quantum computing met als doel het ontwikkelen van de volgende generatie quantumsystemen die in staat zullen zijn om duurzaamheidsvraagstukken op te lossen.

“Ik vind het fascinerend hoe quantumsystemen informatie opslaan en berekeningen uitvoeren,” zegt Greplová. “Tijdens mijn postdoc aan de ETH Zürich viel me op dat quantumsystemen enkele intrinsieke uitdagingen met zich meebrengen. Ze kunnen bijvoorbeeld niet met een klassieke computer gesimuleerd worden – wat ook precies de reden is waarom we ze bouwen. Maar hoe kunnen we deze quantumsystemen dan begrijpen en aansturen, en verifiëren wat ze doen?”

Met AI gluren in de quantum computer

Met haar onderzoeksgroep aan de TU Delft voegt Greplová AI toe aan de toepassing van quantum computers: “Het is erg ingewikkeld om quantum computers te simuleren, onder andere omdat het moeilijk is om ruis op de quantum-schaal te modelleren,” zegt Greplová. “Hier bestaan al traditionele rekenmodellen voor. Met de enorme generaliseringskracht van AI kunnen we deze uitbreiden zodat we de quantum hardware beter kunnen beschrijven en aansturen.”

Zelfs even spieken in een quantum computer kan al desastreuse gevolgen hebben voor quantumberekeningen. Greplová realiseerde zich dat AI een uitkomst kan bieden voor dit probleem, dat een paradox is analoog aan Schrödingers kat. “In het originele gedachtenexperiment zit een kat opgesloten in een doos, samen met een radioactieve isotoop die de kat al wel of nog niet heeft gedood,” legt Greplová uit. “Als we de doos openen en erin kijken, dan stort de quantumtoestand in en beïnvloeden we dus het quantumsysteem. Ik realiseerde me dat, door de output van een quantum computer te ‘bekijken’, we tenminste een beter begrip krijgen: AI kan de complexe data vertalen naar nuttige informatie en tegelijkertijd de quantumberekeningen minder verstoren.

Duurzaamheidsideeën crowdsourcen

Aan de ETH Zürich kwam Greplová tot een van haar eerste doorbraken. “Onze onderzoeksgroep deed een experiment op een kleine quantumcomputer waarbij we gebruik maakten van artificial intelligence,” zegt ze. “Normaal gesproken hebben we een heel team van experts nodig om complexe data voor ons te interpreteren. Nu konden we deze tijdrovende stap volledig aan AI outsourcen: ons AI-algoritme hielp ons bij het aansturen van het quantumsysteem, liet het doen wat wij wilden, en bevestigde de uitkomsten voor ons.”

Wat zijn Greplová’s ambities? “Ik wil quantum computing toepassen bij duurzaamheidsvraagstukken. Stel dat we tot een alternatief voor plastic kunnen komen dat op een natuurlijke manier ontbindt – door alle verschillende ideeën van chemici hierover op een quantum-cluster te zetten en deze de beste oplossing te laten bepalen? Dat is het grote doel waar ik met AI aan wil bijdragen. Als we deze ideeën over de hele wereld kunnen crowdsourcen, dan kunnen we zulke duurzaamheidsvraagstukken veel sneller oplossen.”

Quantum computing opschalen met AI

“Dit is waar mijn onderzoek om draait: Ik wil quantumcomputers met behulp van AI-automatisering in de cloud onderbrengen, en wereldwijde toegang tot gebruikers krijgen. Met AI kunnen we deze quantumcomputers volledig automatisch aansturen, uitlezen en de data interpreteren. Bovendien kunnen AI-oplossingen, in tegenstelling tot standaard programmeren, aan de hand van de data bepalen welke modellen effectief zijn. Hierdoor is het aansturen van quantumcomputers veel makkelijker op te schalen.”

Voordat ze tot daadwerkelijke toepassing kunnen overgaan, moeten de onderzoekers eerst AI-technieken specifiek voor quantum computers ontwikkelen, een zeer complexe uitdaging. Greplová: “Dit vereist een quantumsysteem dat uit miljoenen qubits bestaat – de bouwstenen van quantumcomputers die tegelijk de waarde nul en één kunnen aannemen en elke waarde daartussenin. Om dit in perspectief te plaatsen: de huidige state-of-the-art systemen bestaan uit hoogstens 50 qubits. Ik schat dat we pas tegen het eind van de jaren 2020 AI kunnen toepassen op grootschalige quantumcomputers.”

AI en natuurkunde: opposites attract

Een andere uitdaging is om de wetenschappelijke gemeenschap te overtuigen van het nut van AI bij quantum computing. Greplová: “Artificial intelligence en fysica zijn twee totaal tegenovergestelde methodes, die ik in mijn onderzoek bij elkaar breng. In de fysica reduceer je een ingewikkeld probleem tot een eenvoudig model, terwijl je met artificial intelligence nuttige informatie probeert te halen uit grote hoeveelheden data. Sommige fysici geloven niet dat AI hun data op de juiste manier zal kunnen interpreteren. Vooral aan het begin van mijn AI-onderzoek was het een uitdaging om fysici te overtuigen van het nut van mijn aanpak, maar het begint ze nu te dagen.”

Aan de TU Delft werkt Greplová samen met de groep van Ronald Hanson die binnen QuTech (een samenwerking tussen TNO en de TU Delft, red.) onderzoek doet naar quantum internet toepassingen. Met Lieven Vandersypen en zijn team (ook QuTech) werkt ze aan het Nederlandse Quantum Inpsire, de eerste Europese quantum computer in de cloud. “Dit unieke quantum ecosysteem was een van de redenen dat ik naar Nederland ben gekomen,” zegt Greplová. Naast haar wetenschappelijk onderzoek is ze ook geïnteresseerd in de het bestuur van en toezicht op quantum technologieën. Ze neemt daartoe deel aan de Global Future Council on Quantum Computing van het World Economic Forum. In 2019 was ze tevens medeoprichter van het Virtual Science Forum, een platform dat zich erop richt om wetenschappelijke evenementen voor iedereen toegankelijk te maken. 

/* */