Advertentie

De meest baanbrekende technologie ooit

©IBM

IBM, Google, Microsoft, Intel. Allemaal werken ze aan superkrachtige kwantumcomputers, die behalve spectaculaire toepassingen ook enorme risico’s met zich brengen. ‘De vrees dat ze bitcoins kunnen kraken, is terecht.’

Op de techhoogmis CES in Las Vegas wordt de elektronica elk jaar compacter, tot jolijt van de gadgetfreaks die er in dichte drommen naartoe trekken. Maar op de jongste editie was het een gigantische glazen bak - 3 meter hoog, breed en diep - die de monden van de bezoekers deed openvallen.

Die ‘bak’ is de Q System One van de Amerikaanse technologiereus IMB. CEO Ginni Rometty onthulde de kwantumcomputer in Las Vegas onder grote belangstelling, die vooral is ingegeven door het domein waarvoor hij symbool staat. Kwantumcomputers zijn al een hele tijd talk of the town in tech- en overheidskringen. En in tegenstelling tot bij veel hypes uit Silicon Valley is het enthousiasme in deze gerechtvaardigd.

Of het nu om grote sprongen in farma of chemie, krachtiger batterijen voor elektrische auto’s of online beveiliging gaat, een kwantumcomputer heeft het potentieel om hele industrieën op hun kop te zetten. ‘Het is de meest baanbrekende technologie die ik ooit zag’, zegt de Belgische expert Koen Bertels, hoofd van het Quantum & Computer Engineering Department en Quantum Computer Architectures Lab aan de gerenommeerde Technische Universiteit Delft.

Kwantumcomputers voor dummies

Computers werken klassiek met bits, die data opslaan als een 0 of als een 1. Een kwantumcomputer werkt, volgens de wetten van de kwantummechanica, met kwantumbits of qubits. Anders dan een bit bezit een qubit de tijdelijke eigenschap dat hij tegelijk een 0 én een 1 kan zijn, ‘superpositie’ in het jargon. Zo’n computer kan dus exponentieel meer data verwerken en veel krachtiger berekeningen doen. Twee qubits kunnen vier combinaties vertegenwoordigen, drie qubits acht, enzovoort. Als je 300 qubits combineert, krijg je een getal van 2 tot de macht 300, groter dan het geschatte aantal atomen in het gekende universum.

Om te begrijpen hoe een kwantumcomputer de wereld kan veranderen, moet je begrijpen hoe de technologie werkt. En dat is niet eenvoudig, tenzij je in het bezit bent van een diploma kwantummechanica. Die tak van de fysica kwam begin 20ste eeuw op, toen wetenschappers ontdekten dat er als het ware een realiteit in onze realiteit bestaat. Voor alles wat we kunnen observeren, gelden een rist natuurwetten. Fysici gingen er gemakshalve van uit dat diezelfde wetten opgingen voor de minuscule, subatomaire deeltjes waaruit alle materie en straling zijn opgebouwd. Maar die elektronen en andere partikels bleken andere regels te volgen, regels waarover overigens nog altijd geen volledige duidelijkheid bestaat.

In de jaren tachtig werd dat onderzoeksdomein voor het eerst gekoppeld aan elektronica. Fysici vroegen zich af of de principes van kwantummechanica konden worden gebruikt om informatie mee te verwerken. Samengevat: waar een transistor van een traditionele computer maar twee mogelijke inputs heeft - 0 of 1 - kan een qubit, de transistor van de kwantumcomputer, zich in twee inputs tegelijk bevinden, iets wat in de kwantummechanica ‘superpositie’ wordt genoemd.

In plaats van één berekening per keer uit te voeren kan zo’n machine gigantisch veel berekeningen tegelijk uitvoeren. Een kwantumcomputer kan als het ware oneindig veel realiteiten naast elkaar simuleren en exponentieel meer data verwerken. ‘In theorie is het mogelijk onwaarschijnlijk krachtige computers te maken’, zegt Bertels. ‘Als je 300 qubits combineert, krijg je een getal van 2 tot de macht 300, groter dan het geschatte aantal atomen in het gekende universum.’

Ann Dooms, professor wiskunde aan de Vrije Universiteit Brussel, gebruikt de metafoor van een doolhof om het verschil tussen klassieke bits en qubits te visualiseren. ‘Als je een klassieke computer de taak geeft de weg uit een doolhof te vinden, gaat die één voor één alle mogelijke opties af. Als je veel geluk hebt, gaat dat snel, anders duurt dat bijzonder lang. Bij een kwantumcomputer is het alsof die een gas door het doolhof jaagt, dat zich meteen overal verspreidt. De gasdeeltjes die het eerst de uitgang vinden, geven het kortste pad aan. Dat zal allemaal veel sneller gaan dan klassiek.’

DNA-analyse

Dankzij de belofte van hun ongeziene rekenkracht doen de potentiële toepassingen van kwantumcomputers duizelen. De eerste praktische toepassingen moeten wellicht in de farmasector en de chemische industrie worden gezocht. ‘In de biologie en de chemie zou je ze kunnen gebruiken om na te gaan hoe moleculen interageren’, zegt Dooms. Dat proces is te complex om met huidige computermodellen te simuleren, maar een kwantumcomputer moet die taak wel kunnen volbrengen.

Kwantumcomputers zouden zo het klinisch onderzoek naar medicijnen of materialen, vandaag erg tijdrovend en duur, veel efficiënter of zelfs overbodig kunnen maken. Het hele proces van poeders mengen om te kijken welke reactie dat geeft, kan je in theorie door een computer laten simuleren, wat een ware revolutie zou betekenen.

Dankzij de kwantumcomputer kunnen farmabedrijven op termijn medicijnen op basis van je genetisch profiel ontwikkelen.
Koen Bertels
Kwantumexpert van de TU Delft

Daarnaast opent het de deur voor een meer gepersonaliseerde geneeskunde. Bertels en zijn collega’s werken aan de TU Delft onder meer rond ‘genome sequencing’, het principe dat DNA wordt gebruikt als basis voor elke medische analyse. ‘Dat is de toekomst van geneeskunde. We zijn bezig die algoritmes in een kwantumtaal om te zetten en werken met een zelf ontwikkelde programmeertaal.’

‘Nu moet je bloed, speeksel of haar opsturen naar een labo en duurt het een dag tot een week vooraleer een peperdure machine je DNA-analyse heeft uitgelezen. Voor een ziekenhuis zijn zulke machines veel te duur. In de toekomst zou je je vinger in een kwantumcomputer kunnen steken, die snel je DNA uitleest zodat je dokter meteen zicht heeft op je ziektebeelden. Farmabedrijven kunnen zo op termijn gepersonaliseerde medicijnen ontwikkelen, op basis van je genetisch profiel.’

Bertels doet ook onderzoek voor een Duits automerk - hij mag geen namen noemen - rond zelfrijdende wagens. ‘Een kwantumcomputer kan een rol spelen in het monitoren van het verkeer. Hij zou de data van honderdduizenden auto’s in enkele seconden kunnen verwerken, niet in dagen en weken, zoals klassieke computers.’

Diezelfde auto-industrie rekent op kwantumcomputers om de chemie die een batterij aandrijft beter te doorgronden en efficiënter te maken. Lukt dat, dan ligt de weg open naar een nieuwe generatie batterijen die elektrische auto’s echt kan laten doorbreken. Daar doen onder andere Volkswagen en Mercedes-moeder Daimler onderzoek naar. Microsoft wil kwantumcomputers inzetten om industriële processen minder energie-intensief te maken of op termijn zelfs lucht te zuiveren.

In Europa en de Verenigde Staten zijn ook de veiligheidsdiensten belangrijke financiers van onderzoek naar kwantumtechnologie. En dat hoeft niet te verbazen. Vandaag beveiligen we ons digitale leven - van persoonlijke communicatie over online shoppen tot bankieren - met numerieke encryptie. Maar tegen een kwantumcomputer, die een enorm aantal scenario’s naast elkaar kan leggen, is die ingewikkelde versleuteling van enen en nullen in theorie niet bestand.

Dat houdt op veel fronten risico’s in. De vrees leeft dat kwantumcomputers de beveiligingscode van bitcoins en andere virtuele munten zullen kunnen kraken. ‘Die vrees is absoluut terecht’, zegt Dooms, die gespecialiseerd is in cryptografie of technieken om informatie te versleutelen.

De Q System One van IBM brengt ons een stap dichter bij een werkende kwantumcomputer. De piepkleine chip onderaan herbergt een gigantische rekenkracht. De hele structuur errond dient om hem koel te houden. ©IBM

‘Bij de bitcoin en andere cryptomunten maak je bij transacties gebruik van een digitale handtekening. Deze is afgeleid van een publiek-privaat encryptiesysteem dat een publieke sleutel gebruikt om de boodschap te versleutelen, én een private sleutel, om ze te ontcijferen. Die zijn aan elkaar gelinkt via een ingewikkeld wiskundig probleem, één heel groot getal dat verhakkeld is in twee kleinere onbekende getallen. De huidige computers kunnen die code niet kraken. Maar een kwantumcomputer zal dat wel kunnen, waardoor je transacties zou kunnen manipuleren en dus virtuele munten zou kunnen stelen.’

Toch loopt het wellicht zo’n vaart niet, aldus Dooms, net omdat ook de versleutelingstechnologie erop vooruit zal gaan. ‘Er is al onderzoek naar wiskundige algoritmes voor publiek-private versleuteling die bestand zijn tegen kwantumcomputers en dus geïntegreerd kunnen worden in de beveiliging van de handel in cryptomunten. Al staat ook dat nog in zijn kinderschoenen.’

Onzekerheid

Omdat kwantumcomputers als de ‘next big thing’ gelden, is in techland een ratrace aan de gang. IBM is lang niet het enige bedrijf dat erin investeert. Ook Google, Intel en Microsoft, maar evenzeer een Silicon Valley-start-up als Rigetti Computing en de Chinese techgigant AliBaba, pompen er veel geld in.

Ook overheden laten zich niet onbetuigd in de kwantumwedloop. De Verenigde Staten, Europa en China hebben miljardenprogramma’s lopen om onderzoek en innovatie naar kwantumcomputers te stimuleren. Er bestaat nog veel onzekerheid over wat uiteindelijk het praktische nut van een werkende kwantumcomputer wordt. Maar het besef leeft dat wie het eerst een werkend exemplaar realiseert, zich een enorm economisch en zelfs militair voordeel cadeau doet.

Ondanks de buzz, de investeringen en de voorstelling van de Q System One in Las Vegas staan we vooral nog nergens, meent Bertels, wiens onderzoek rond kwantumtechnologie onder meer gefinancierd wordt door de Amerikaanse chipbakker Intel, een concurrent van IBM. ‘Niemand kan beweren dat hij al een begin van een kwantumcomputer heeft gemaakt. De Q System One van IBM heeft een rekenkracht van 20 qubits, maar we weten niet eens hoeveel er nodig zijn om commerciële toepassingen te kunnen maken.’

‘20 qubits is bovendien ook niet fenomenaal. Google heeft sinds begin vorig jaar een 72 qubitprocessor. Intel toonde begin vorig jaar een chip van 49 qubits. Maar van die aantallen werken er maar een deel, de andere zitten vol fouten die bij het gebruik duidelijk worden.’

Bertels tempert de euforie. ‘Iedereen brult dat hij de sterkste en de snelste is, maar we zitten nog in de beginfase van de experimentele ontwikkeling. Er is vooral veel marketing. Het is moeilijk in te schatten welk bedrijf welke rol zal spelen.’

Het aantal qubits zegt ook niet alles. De kwaliteit is van groter belang. Een van de grote uitdagingen voor de nabije toekomst is de levensduur van de qubits verlengen, die nu snel hun kwaliteiten verliezen. ‘We spreken over een levensduur van een paar nanoseconden’, zegt Bertels.

-270
-270
De chips van een kwantumcomputer kunnen bij de minste vibratie verstoord raken en hebben extreem lage temperaturen - rond 270 graden onder nul - nodig.

Bovendien zijn kwantumcomputers erg delicaat. De chips kunnen bij de minste vibratie verstoord raken en hebben extreem lage, cryogene temperaturen - rond 270 graden onder nul - nodig. Dat verklaart waarom IBM zo’n grote bak rond zijn piepkleine kwantumchip moet plaatsen. Bertels: ‘De kwantumcomputer van IBM is eigenlijk één grote koelkast waarin alle elektronica beschut zit.’

De grote verwezenlijking die IBM met de Q System One voor elkaar kreeg, is dus niet zozeer een superkrachtige computer creëren. Meer zelfs: de rekenkracht van het enorme ding overstijgt wellicht niet eens die van uw laptop thuis. Spectaculair is wel dat IBM er als eerste in geslaagd is een stabiel kader te creëren waarin een kwantumcomputer kan gedijen. Experts zien de Q System One vooral als een opstapje richting een echte kwantumcomputer.

Dat zo’n stabiel kader een ruimte van 3 op 3 op 3 meter met een enorm koelingssysteem nodig heeft, geeft aan dat we kwantumcomputers niet meteen in een commerciële omgeving moeten verwachten. Bertels: ‘Ik verwacht niet dat je de eerste vijftig jaar als consument een kwantumcomputer voor thuis kan kopen.’

De vraag is of je er als consument überhaupt iets mee opschiet. Voor de taken die wij als gebruikers van onze computers verlangen, blijven de huidige generaties toestellen nog geruime tijd meer dan geschikt. De toekomst is wellicht meer te zoeken in zuiver industriële toepassingen. Daarbij is de vraag niet zozeer meer of de kwantumcomputer de wereld zal veranderen, maar wanneer.

Lees verder

Advertentie
Advertentie
Advertentie
Advertentie

Gesponsorde inhoud

Gesponsorde inhoud