Kwantumcomputer moet praktisch nut nog bewijzen

Onderzoekers van de Chinese University of Science and Technology boekten eerder deze maand met hun kwantumcomputer een record: de Jianzhen rekende een samplingvraagstuk, waarbij een getal op een specifieke manier verdeeld wordt, uit in 200 seconden. Een klassieke supercomputer zou daar 600 miljoen jaar over doen. De gigantische voorsprong in rekenkracht dankt de kwantumcomputer aan zijn rekeneenheid, de qubit. Die kan, in tegenstelling tot de klassieke bit, meerdere waarden tegelijk aannemen, waardoor de rekenkracht gigantisch is.

De Chinezen troeven met hun kunstje Google af. Dat claimde anderhalf jaar geleden met zijn 53 qubitcomputer Sycamore de mijlpaal van 'kwantumsuprematie'. De internetgigant wist ook een ingewikkeld samplingprobleem op te lossen, eveneens in 200 seconden, iets waar de krachtigste computer op dat moment tienduizend jaar voor nodig had. Maar beide vraagstukken waren triviaal, zonder praktisch nut.

‘Beide kwantumcomputers genereren patronen van schijnbaar willekeurige reeksen getallen’, zegt Dries Sels, een Belgische kwantumfysicus die aan de New York University aan kwantumsoftware werkt. Zowel de Jianzhen als de Sycamore genereert één patroon in een fractie van een seconde. Langer houden beide kwantumcomputers het niet uit, want de qubits worden heel snel instabiel. De patroonherkenning herhaalt zich miljoenen keren in 200 seconden.

‘Zo werden genoeg patronen gegenereerd voor een betrouwbaar sample’, zegt Sels. Het grote voordeel is dat heel wat relevante wereldse problemen kunnen worden teruggebracht tot zulke samplingvraagstukken. Een voorbeeld is het opzetten en optimaliseren van een mondiaal energiesysteem. 'Maar voor dat soort problemen heb je kwantumcomputers met veel meer qubits nodig.'

Toch kan ook een heel kleine kwantumcomputer, met minder qubits, mogelijk al nuttig zijn, als hij aangestuurd wordt door een slim en zuinig algoritme. Sels werkt aan een kwantumalgoritme dat aan de rekenkracht van twintig qubits genoeg zou hebben om moleculen heel snel te identificeren en hun structuur bloot te leggen. Dat zou de tijd van sommige moleculaire analyses terugbrengen van een week tot enkele minuten.

Ook Lieven Vandersypen, de Belgische onderzoeksdirecteur van QuTech, het kwantumlab van de TU Delft en TNO, kijkt voor de eerste relevante toepassingen naar de chemie en microfysica. ‘Met een echte kwantumcomputer kan het gedrag van atomen en moleculen worden gesimuleerd, wat onbegonnen werk is nu. De krachtigste supercomputers bijten daar hun tanden op stuk.’

De uitkomst van chemische en fysische reacties zou worden gesimuleerd, en dus voorspeld zonder dat ze worden uitgevoerd. Je bootst de natuur bottom-up na in plaats van ze trial-and-error te doorgronden. Dat kan fundamenteel onderzoek in uiteenlopende wetenschappelijke domeinen in een stroomversnelling brengen: bijvoorbeeld in de zoektocht naar geneesmiddelen, sterkere materialen of betere chemische katalysatoren.

Kwantumbruikbaarheid

Vandersypen streeft niet graag naar kwantumsuprematie, maar naar kwantumbruikbaarheid. ‘Uiteindelijk willen we met kwantumcomputers relevante problemen oplossen.’ Zijn onderzoeksgroep hoopt dat ooit te doen met qubits gemaakt van halfgeleiders, hardware die doet denken aan de klassieke computertechnologie (niet toevallig werkt QuTech nauw samen met de chipfabrikant Intel).

Hij en zijn collega’s hopen de achterstand op Google en de Chinezen straks vlot goed te maken en als eersten bij het praktische nut uit te komen. ‘Bij de opschaling naar duizenden tot miljoenen qubits hebben we het voordeel dat de halfgeleidertechnologie al wordt gebruikt om miljoenen transistors (die elk één bit klassieke bit vertegenwoordigen, red.) samen te brengen op een kleine chip. Uiteindelijk willen we hetzelfde doen met miljoenen qubits.’

Die enorme hoeveelheid qubits is nodig voor de foutcorrectie. Dat is nu nog het grootste obstakel in de ontwikkeling van een universele kwantumcomputer, die uiteenlopende berekeningen aankan. ‘Voor een relevante operatie moet een kwantumcomputer veel bewerkingen achter elkaar uitvoeren', zegt Vandersypen. 'Omdat in de qubits altijd verstoringen optreden moet hij continu corrigeren. Dat komt erop neer dat de fouten sneller moeten worden hersteld dan dat ze opduiken. Daar hebben we duizenden tot miljoenen extra qubits voor nodig.’