Dit mogen we verwachten van de revolutionaire quantumcomputer.

Hij wordt ook wel gezien als een essentieel onderdeel van de tweede quantumrevolutie: de quantumcomputer. Maar hoe kan dit systeem precies zorgen voor een revolutie? En wat verandert er dan precies?

Tweede deel
Dit is het tweede en laatste deel van een mini-serie over de quantumcomputer. Heb je deel één nog niet gelezen? Doe dat dan eerst. Je vindt het hier!

Als buitenstaander zou je verwachten dat zo’n rekenwonder als de quantumcomputer in staat moet zijn om de digitale computer met twee vingers in de neus te verslaan. Deze superioriteit ten opzichte van de digitale computer noemt men soms ook wel quantumsuprematie. Het is echter niet zo simpel als het lijkt om deze superioriteit te bereiken. Het digitale computersysteem is namelijk heel robuust en is dankzij alle ontwikkelingen van de laatste decennia in staat om veel simpele en complexe taken snel uit te voeren, terwijl de quantumcomputer (nog) veel last heeft van decoherentie en quantumruis (daarover kon je meer lezen in deel één). De correcties die moeten worden doorgevoerd voor de quantumcomputer, maakt dit systeem dus niet voor elke taak sneller dan een digitaal computersysteem. Zeker simpele taken kunnen beter door een digitale computer worden uitgevoerd.

Afbeelding: qimono / Pixabay.

Toepassingen
Maar waarvoor zijn de quantumcomputers dan wel geschikt? Deze vraag hebben we gesteld aan theoretisch fysicus professor Henk Stoof (1962). Hij doet onderzoek aan de Universiteit van Utrecht. Hij stelt dat de meest nuttige toepassingen de mogelijkheden zijn waarin we kunnen parallelliseren. Dit houdt in dat je handig gebruikmaakt van de superpositie van 0 én 1. Bedenk bijvoorbeeld dat je de uitweg in een doolhof moet vinden. In plaats van met een digitale computer elke mogelijke weg één voor één af te gaan, ga je met een quantumcomputer alle mogelijke wegen tegelijk af. Volgens Stoof zijn er twee zeer nuttige toepassingen van de quantumcomputer: cryptologie en het simuleren van chemische reacties. De eerste toepassing, cryptologie, is belangrijk voor het veilig verzenden van boodschappen door versleuteling van informatie over het internet en wordt bijvoorbeeld momenteel veel gebruikt door banken om het geldverkeer veilig uit te voeren. In het vorige deel spraken we kort over het kraken van de Enigma-code tijdens de Tweede Wereldoorlog. Als er toen al een quantumcomputer had bestaan, was de code binnen een minimale tijd gekraakt. Óf hadden de Nazi’s met een eigen quantumcomputer een onkraakbare code kunnen ontwikkelen.

Medicijnen
De tweede toepassing, het simuleren van chemische reacties, kan volgens Stoof als doel hebben nieuwe medicijnen te ontwikkelen. Hij zegt hierover: “Dat zou een veel beter begrip van de mechanismes geven die tot deze reacties aanleiding geven en door deze te manipuleren zou dit tot heel nieuwe reacties kunnen leiden die geheel nieuwe stoffen en materialen zouden kunnen opleveren met eigenschappen die we zelf zouden kunnen beïnvloeden en manipuleren. Dat zou een enorme doorbraak zijn met potentieel verstrekkende gevolgen voor toepassingen van deze materialen en chemische stoffen.”

“De quantumcomputer kan ons vooruit helpen, maar in de verkeerde handen kan het ook op een negatieve manier worden ingezet”

Een ander nuttig voorbeeld is hoe een eiwitstring zichzelf opvouwt. Dit is essentieel voor het goed functioneren van eiwitten. Dit opvouwen kan op dusdanig veel verschillende manieren dat een supercomputer hier jaren over doet. Met een quantumcomputer moet dit veel sneller kunnen. Er zijn nog veel andere toepassingen waarin de quantumcomputer ons zou kunnen helpen, denk aan machinaal leren (een erg belangrijk onderdeel van kunstmatige intelligentie), waarin het de bedoeling is dat computersystemen leren door middel van slimme algoritmes en technieken. Dit zou een quantumcomputer natuurlijk nog sneller kunnen, aangezien parallellisatie het leerproces enorm kan versnellen. Parallellisatie komt natuurlijk ook erg goed van pas in de financiële wereld, of in de logistiek en ga zo maar verder. De quantumcomputer kan ons vooruit helpen, maar in de verkeerde handen kan het ook op een negatieve manier worden ingezet. Om weer even terug te komen op het voorbeeld van het kraken van de Enigma-code, kan op een zelfde manier een quantumcomputer gebruikt worden om onze online gegevens eenvoudig te kraken, zolang deze nog op een digitale computer versleuteld zijn. Een getal van driehonderd cijfers kan door een quantumcomputer bijvoorbeeld in een minuut gekraakt worden, terwijl een digitale computer hier honderd jaar over zou doen.

Soorten quantumcomputers
Er zijn verschillende soorten quantumcomputers. We gaan ze hier niet allemaal benoemen, maar we zullen twee belangrijke bespreken:
– Allereerst hebben we het circuitmodel, wat ook wel gezien wordt als het standaard model voor de quantumcomputer, omdat het een directe vertaling is van de digitale computer. Dit model zagen we al kort voorbij komen in deel 1 toen we spraken over quantumruis. Quantumpoorten worden hier gebruikt om berekeningen te maken door quantumtoestanden te manipuleren. Deze poorten zijn een onderdeel van een circuit die zo de qubits manipuleren door middel van het handig kiezen van quantumpoorten. Het circuitmodel is vergelijkbaar met het gebruik van logische poorten in digitale computers. Het belangrijkste verschil is echter dat bij quantumcomputers we superposities van quantumtoestanden door een poort sturen, waar dat bij digitale computers alleen om binaire eenheden gaat. Verder zijn quantumpoorten een omkeerbaar proces, wat logische poorten niet zijn. Dit brengt ook weer voordelen mee.
– Het andere model is het adiabatische model. Hier wordt gebruik gemaakt van een Hamiltoniaan. Dit wordt in de wiskunde een operator genoemd en in de natuurkunde correspondeert deze met de totale energie van een systeem. In het geval van de quantumcomputer wordt de Hamiltoniaan gebruikt om de de evolutie van de quantumtoestanden te beschrijven. Door de Hamiltoniaan geleidelijk te veranderen kan de quantumcomputer in een toestand dichtbij de langzaam veranderende laagste energie toestand komen en daarin blijven. Dit is dan de oplossing van een berekening. Dit klinkt vast nog erg vaag, maar het is helaas te uitgebreid om het hier verder precies uit te leggen. Overigens wordt dit adiabatische model niet altijd erkend als een volwaardige quantumcomputer, omdat het niet als een universele quantumcomputer alle soorten berekeningen kan doen. Desondanks is deze techniek wel nog altijd veel sneller dan een digitale computer op het gebied van optimalisatieproblemen en machinaal leren.

Heike Kamerlingh Onnes. Foto: Museum Boerhaave (via Wikimedia Commons).

Soorten qubits
We hebben al kort wat uitgelegd over qubits. Tot nu toe ging het alleen nog maar over de spin van elektronen, omdat deze vaak als de standaard qubit wordt gezien. Er bestaan echter ook andere soorten qubits. Eigenlijk alle mogelijkheden waarbij de quantummechanische eigenschap van superpositie gebruikt kunnen worden, zijn in principe een kandidaat. Een interessante qubit is waarbij gebruik gemaakt wordt van supergeleiding. In dit geval wordt er een elektrische stroom geleid door een materiaal zonder weerstand. Deze eigenschap van materialen bij zeer lage temperaturen werd al ontdekt in 1911 in Leiden door Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926). We zullen het principe versimpeld uitleggen. Elektronen onder extreem lage temperaturen vormen een condensaat. Het is niet belangrijk wat dit precies is, maar het komt er op neer dat een collectie van elektronen zich gedraagt als een quantummechanisch ‘object’. Dit condensaat kan dan onder invloed van elektromagnetische golven in beweging worden gebracht. Doordat we te maken hebben met een supergeleider gaat het condensaat als een slinger heen en weer. Dit kan in superposities van ‘langzame’ en ‘snelle’ bewegingen gaan. Deze twee mogelijkheden corresponderen met 0 en 1. Op deze manier hebben we een qubit. Ook ionen (positief geladen atomen, omdat er een elektron mist) kunnen gebruikt worden als qubits. Deze hebben net als het elektron ook een spin. Met behulp van laserlicht of een andere vorm van elektromagnetische straling kun je deze spin manipuleren. Volgens Henk Stoof zijn een rij van ionen in een magnetische valkuil een mogelijk veelbelovende toepassing om als qubits te gebruiken. Dit komt omdat er bijna geen decoherentie is. Echter maakt een benodigde ingewikkelde laseropstelling om de ionen af te koelen het niet erg praktisch. “Dit is dus niet iets wat je gemakkelijk onder je bureautafel zou kunnen schuiven!” aldus Stoof. Zo zijn er nog meer mogelijke quantummechanische objecten die als qubits kunnen dienen, maar helaas hebben we niet de mogelijkheid om deze hier allemaal te bespreken. Hopelijk komen er ook steeds meer nieuwe vormen van qubits, die er voor zorgen dat decoherentie en fouten beperkt blijven. Hierdoor kan de superpositie tussen qubits optimaal gebruikt worden.

Hier zie je de steunstructuur van een oudere D-Wave-processor. Afbeelding: NASA.

Huidige quantumcomputers
Het is moeilijk bij te houden hoe snel de ontwikkeling van de quantumcomputer gaat, want het kan best zijn dat op het moment dat je dit leest, deze informatie alweer achterhaald is door een nieuwe ontdekking of ontwikkeling.
Belangrijke resultaten en investeringen worden gehaald en gedaan door bedrijven zoals D-Wave Systems, Quantum Circuits, Rigetti, IonQ, Intel, IBM, Google en Microsoft, maar ook veel universiteiten en NASA zijn veelvuldig bezig met onderzoek. In Delft is er ook een belangrijke speler: QuTech. Dit is een samenwerking tussen de TU Delft en TNO. Een siliciumchip met 49 qubits werd laatst gepresenteerd door QuTech in samenwerking met Intel op de grootste technologiebeurs CES 2018. De gepresenteerde chip werkt op 20 duizendste graden Celcius boven het absolute nulpunt. Dit is veel lager dan de gemiddelde temperatuur in de ruimte! Echter deed IBM dit afgelopen november beter met een quantumchip met 50 qubits. Daar tegenover staat dan de quantumcomputer van D-Wave met 2000 qubits die ze afgelopen jaar op de markt brachten voor 15 miljoen dollar. Hier blijven de qubits voor 98 tot 99 procent stabiel en heeft automatische herstelmethodes voor slechte qubits. Dit is echter een adiabatisch model, dat we zojuist bespraken. Hier is het eenvoudiger om veel meer qubits te hebben, doordat er geen fouten-correcties nodig zijn, omdat de qubits zich op een natuurlijke manier in hun laagste energiestaat bevinden. Zoals we al eerder uitlegden, beperkt het adiabitische model zich wel tot enkele mogelijkheden van quantumcomputertoepassingen, terwijl QuTech, IBM en anderen zich bezighouden met de ontwikkeling van een universele quantumcomputer. Er wordt ook gewerkt aan programmeertalen die bruikbaar zijn voor de quantumcomputer. Momenteel bestaan er al verschillende soorten talen, geschikt voor verschillende modellen en verschillende soorten hardware (ion vallen, supergeleidende qubits etc.).

Een oudere D-Wave-processor. Afbeelding: NASA.

We spraken ook met professor Barbara Terhal. Zij is professor aan het EEMCS Departement aan de TU Delft en onderzoekster bij QuTech. Zij zegt dat de huidige qubits nog te veel ruis bevatten om grote algoritmen op huidige chips te kunnen uitvoeren. Met fout-correcties kun je met 100 huidige qubits nog maar 1 beter qubit krijgen (zie deel één van dit artikel voor meer informatie over fout-correcties). Volgens haar kan het dan ook nog een tijd duren voordat we iets merken van quantumsuprematie (wat ze overigens mede daarom een omstreden term noemt). Aan de andere kant, als het mogelijk is om met 100 qubits de quantumtoestand van 1 qubit voor uren (of langer) op te slaan, breiden we radicaal het domein van toepasbaarheid van de quantummechanica uit. Laat staan als we uiteindelijk in staat zijn dit voor meerdere qubits te doen. Dit komt omdat quantumtoestanden met klassieke computers niet goed genoeg te beschrijven zijn.

De toekomst
Quantumcomputers zullen zeker hun ontwikkeling doorzetten. Hopelijk kunnen er daadwerkelijk quantumcomputers komen die effectief ingezet worden om belangrijke problemen op te lossen en complexe berekeningen voor ons te doen. Echter zullen we, net zoals Terhal zegt, naar verwachting voorlopig nog niet veel merken van de quantumsuprematatie. De toepasbaarheid van het adiabatische model zal wel sneller gaan. In het begin kan deze naast of samen met de digitale computer werken. Ook is er nagedacht om quantumcomputers onderling te laten samenwerken, door ze met elkaar te laten communiceren met behulp van fotonen die qubits kunnen versturen. Dit zou ook de ontwikkeling kunnen versnellen. Uit deel 1 weten we dat de eerste digitale computers alleen door overheden, banken en universiteiten gebruikt werden, doordat de elektronbuizen het niet toe lieten de systemen te verkleinen. De transistor bracht daar verandering in en gaf ons mede met andere technologische ontwikkelingen het prachtige systeem waar je nu achter zit of wat je momenteel in je handen hebt om dit artikel te lezen. Echter voordat er een quantumcomputer in je huis staat, zullen we misschien wel moeten wachten op een transistor-achtige uitvinding voor de quantumcomputer.

Het is aan jou om de opkomst van de quantumcomputer een revolutie of gewoon een voortzetting van de technologische ontwikkelingen te noemen. Hoe dan ook zal de quantumcomputer op veel vlakken nieuwe deuren openen en het zal daarnaast naar alle waarschijnlijkheid ook nog onbekende terreinen betreden.

Jurjen de Jong (1993) is masterstudent Space Studies aan de KU Leuven. Daarvoor heeft hij een propedeuse werktuigbouwkunde in Breda, een bachelor wiskunde en een bachelor natuurkunde in Utrecht behaald en afgelopen juli een master in de wiskundige natuur-en sterrenkunde in Gent afgerond. Jurjen leest graag over de verschillende ontdekkingen ontwikkelingen op wetenschapsgebied en door er over te schrijven hoopt hij zijn kennis te delen met een groter publiek. Later hoopt hij een baan in de ruimtevaartsector te krijgen. Eerder verschenen van Jurjens hand al dit interessante artikel waarin hij uitzoekt of het nodig is dat ook de ruimtevaart groener wordt. Ook zocht hij voor Scientias.nl uit of de ruimtelift werkelijk toekomst heeft.