Naar de content

Eerste Europese cloudquantumcomputer staat in Delft

Een close-up van een quantum computer met veel draden en gouden elementen.
Een close-up van een quantum computer met veel draden en gouden elementen.
Marieke de Lorijn voor QuTech met toestemming

Vanaf deze week draaien er bij het Delftse onderzoeksinstituut QuTech twee quantumcomputers waarmee iedereen via het internet berekeningen kan doen. De apparaten blinken nog niet uit wat betreft rekenkracht, maar de betrokkenen hopen wetenschappers en bedrijven warm te maken voor de verdere ontwikkeling ervan.

Constantijn van Oranje en QuTech-onderzoeker Lieven Vandersypen (op scherm) bij de lancering van Quantum Inspire.

 Quantum Inspire

In een oogwenk een kandidaat-vaccin tegen het coronavirus vinden kan hij niet. Ogenblikkelijk de snelste route tussen twee ver uit elkaar gelegen punten op een kaart vinden lukt niet. Zeer natuurgetrouwe materiaalsimulaties doen (inclusief subtiele quantumeffecten) gaat ook al niet. Ondanks de grote beloften die aan quantumcomputers worden toegekend kunnen de twee exemplaren die nu bij QuTech draaien niets van dat alles.

Toch werd afgelopen maandag met de nodige bombarie de knop omgezet waarmee twee quantumcomputers met het internet werden verbonden. Iedereen met een laptop kon inloggen en de computers een quantumberekening laten uitvoeren, gratis bovendien. Constantijn van Oranje stond aan een tafel in een studio – ontsmettingsmiddel en doekjes present – en modereerde het online lanceerevenement, waarbij via een videoverbinding ook minister van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap Ingrid van Engelshoven en Europees Commissaris Digitale economie en samenleving Marija Gabriel aanwezig waren.

De twee quantumrekenmachines zijn onderdeel van een demonstratieplatform, Quantum Inspire, om de quantumtechniek te leren kennen en ervan te leren. Is dit het startschot van de opmars van de quantumcomputer die de komende jaren zijn klassieke broer op steeds meer vlakken verslaat? In Delft hopen ze van wel. QuTech wil de interesse wekken van kleine en grote partijen in de Europese bedrijfswereld. Zo moeten de voorsprong van Amerikaanse partijen als Google en IBM enigszins worden ingelopen.

Fietspompen

In feite kun je dus vrijwel niets met deze quantumrekensystemen. Je zou ermee kunnen bepalen of een simpele functie even of oneven is, je kunt ermee zoeken in een eenvoudig database of specifieke eigenschappen van een simpel molecuul berekenen. Dat zijn klusjes die iedere smartphone of laptop in een handomdraai oplost. “De simulator op onze website kan in principe meer dan onze quantumcomputers”, zegt Richard Versluis, onderzoeker bij TNO die als system architect van de quantumcomputers verantwoordelijk was voor het ontwerp van de systemen. Maar rekenkracht is niet het punt van deze machines, dat is om te laten zien dat het wérkt.

Close-up van een elektronisch circuit waarin vijf qubits aan elkaar gekoppeld zijn. De qubits zijn de zwart-witte vierkantjes en bestaan uit een supergeleidend circuitje waarin een elektrische signaal als het ware heen en weer stroomt. De kronkelende circuitjes tussen de qubits zijn ook supergeleidend en worden gebruikt om de qubits aan te sturen en uit te lezen.

 Superconducting Quantum Circuits/TU Delft

De machinerie voor deze rekenoefeningen staat in Delft en maakt een pompend geluid, alsof iemand met haast een fietsband oppompt. Het zijn stikstof- en heliumpompen die de temperatuur van de quantumchips Spin-2 en Starmon-5 terugbrengen tot 0,02 graden boven het absolute nulpunt, zo’n -273 graden Celsius. Dat is nodig om de subtiele quantumeffecten die de chips gebruiken voor hun berekeningen niet te verstoren.

De chips zijn niet groter dan een vingernagel en lijken op een klein printplaatje uit een computer. Op die chips zitten een aantal zogenoemde qubits, de rekeneenheden van de quantumcomputer. In de quantumchip Spin-2 zijn dit in een elektrisch veld gevangen elektronen die als het ware links- óf rechtsom draaien, de Starmon-5 heeft supergeleidende elektrische circuitjes waarin een elektrisch signaal heen en weer stroomt. Door de draairichting van bijvoorbeeld de elektronen te manipuleren kan er informatie ingestopt worden, zeg een 1 of een 0. Kort door de bocht kunnen de qubits een berekening uitvoeren door informatie met elkaar uit te wisselen en hun nieuwe toestand vervolgens te laten uitlezen (zie kader De kracht van quantum).

De kracht van quantum

Een quantumcomputer maakt gebruik van de vreemde wetten van de quantummechanica, die het gedrag van de allerkleinste deeltjes (zoals elektronen) beschrijven. De wetten stellen bijvoorbeeld dat een deeltje tegelijkertijd linksom en rechtsom kan draaien. Dat lijkt natuurlijk erg vreemd, maar nog vreemder wordt het wanneer er informatie wordt gekoppeld aan de draairichting van zo’n zogenoemde qubit. Linksom betekent dan bijvoorbeeld ‘0’, rechtsom ‘1’. Doordat de qubit zowel linksom als rechtsom draait bezit hij beide waarden. Knap nutteloos? Opmerkelijk genoeg kunnen deze deeltjes je onder de juiste omstandigheden juist helpen om veel berekeningen tegelijk uit te voeren. Daar is aparte software voor nodig en het principe is alleen nuttig voor het oplossen van specifieke wiskundeproblemen, of bijvoorbeeld het zoeken in grote databases.

Het is nogal een klus om stabiele en bruikbare qubits te maken op een chip, de afgelopen jaren slagen laboratoria over de hele wereld daar steeds beter in. De werkende quantumcomputers zijn nog geen rekenwonders omdat ze een beperkt aantal qubits hebben. De voorlopers op dit gebied zijn bedrijven als Google en IBM die meer dan vijftig qubits op een chip laten samenwerken, maar dat is nog lang niet genoeg om er nuttige berekeningen mee te doen. De verwachting is dat je daarvoor duizenden, zo niet miljoenen, qubits op een chip nodig hebt.

De Delftse quantumcomputers hebben respectievelijk twee en vijf qubits. Is dat niet een beetje schamel? Het opschalen van het aantal qubits is vooralsnog lastig, zegt Versluis. “Er zijn in Delft promovendi die hebben gewerkt met vier of acht werkende qubits in een experimenteler systeem”, zegt hij. “Maar wij wilden een stabiele cloudcomputer. Hij moet 24 uur per dag online zijn en altijd werken, daarom kozen we hiervoor.”

Voor de onderzoekers van TNO en QuTech is het draaiende houden van hun quantumcomputers een oefening. Er komt nogal wat ‘handwerk’ aan te pas, aldus Versluis. Elektronen moeten op de chip op de juiste plek ‘gevangen’ worden met nauwkeurig afgestelde elektrische velden. Ook moeten de elektronen ‘bestuurd’ worden. “De spin van elektronen laat zich beïnvloeden door microgolfstraling. De precieze frequentie moeten we steeds vinden”, zegt Versluis.

Het operationeel maken van de machine kan weken duren. Iedere dag zijn bovendien (automatische) kalibraties nodig omdat de chip bijvoorbeeld iets opwarmt of omdat er elektronen in het materiaal rondom de qubit verspringen. “De qubits zijn enorm gevoelig voor hun omgeving. Iedere vier uur wordt gecheckt of alles nog naar behoren werkt.”

Fantasie

In Delft wordt gewerkt aan complexere quantumrekensystemen. Er staan volgens Versluis wel dertig ‘koelkasten’ met plekken voor meerdere quantumchips. Verschillende type systemen in de race om de quantumcomputer van de toekomst te worden. De supergeleidende chips – die ook door Google en IBM worden gebruikt – lopen op dit moment voor wat betreft aantallen qubits, maar Versluis denkt dat het vanwege hun relatief grote formaat lastig wordt dit aantal uit te breiden tot duizenden of miljoenen qubits op één chip.

Zelf ziet hij een belangrijke rol weggelegd voor de spinqubits in silicium, waar Spin-2 gebruik van maakt. “Deze chips worden op dezelfde manier gemaakt als klassieke chips die prima op te schalen zijn tot veel grotere elektrische circuits. Bovendien kun je de qubits dan relatief eenvoudig koppelen met klassieke elektronica op dezelfde chip”, zegt Versluis.

Het zal nog jaren duren voordat er écht gebruik gemaakt wordt van quantumcomputers, benadrukt Versluis. “Ik moet de verwachtingen in mijn omgeving regelmatig temperen”, zegt hij. “Misschien dat de eerste voorzichtige berekeningen over pakweg vijf jaar plaatsvinden. Het aanpakken van serieuze problemen (bijvoorbeeld het vinden van kandidaatmedicijnen – red.) zal nog tien tot twintig jaar op zich laten wachten. Voor mogelijke eindgebruikers van quantumcomputers zou ik zeggen: wacht nog even af maar houd de ontwikkeling in de gaten. Ondertussen hebben we (grote) Europese techbedrijven nodig die bereid zijn te investeren in het maken van de hardware.”

De quantumcomputer klinkt als toekomstmuziek. “Het is een behoorlijke tijdspanne”, zegt Versluis. “Aan de andere kant: sommige mensen zeiden tot een aantal jaar geleden dat het helemaal niks zou worden met de quantumcomputer, dat het allemaal fantasie was. Wij laten nu zien dat het echt kan.”

ReactiesReageer