Naar de content

Eerste 'superieure' quantumcomputer is nog geen rekenwonder

Experimentele opstelling haalt dit jaar waarschijnlijk quantum supremacy

UCSB/Michael Fang

Universiteiten, IBM en Google werken hard aan de ontwikkeling van de quantumcomputer. Bij Google staan ze naar verluidt op het punt om quantum supremacy te bereiken, het punt waarop gewone computers de quantumcircuits niet meer bijbenen. Wat ligt er bij Google op de testbank? En wat kúnnen we ermee?

De eerste ‘superieure’ quantumcomputer

Verschillen media waaronder de Volkskrant meldden op 25 september 2019 dat onderzoekers van Google een quantumchip hebben gebouwd die sneller rekent dan een klassieke computer. Heel even zou er online een artikel hebben gestaan waarin de opmerkelijke prestatie van de quantumcomputer staat beschreven. Het artikel werd kort daarna om onbekende reden weer offline gehaald, wellicht wil het bedrijf wachten tot een publicatie in een wetenschappelijk tijdschrift.

Die kwam er woensdag 23 oktober: Google heeft met haar Sycamore-quantumprocessor in slechts drie minuten en twintig seconden een berekening uitgevoerd waar een ‘klassieke’ computer al snel 10.000 jaar voor nodig heeft.

Accurater is het om te stellen dat de quantumchip op basis van 53 zogenoemde qubits rekenstappen maakt die niet meer volledig te controleren zijn met een klassieke computer, althans niet binnen tienduizend jaar. NEMO Kennislink sprak eerder met de Amerikaanse onderzoeker John Martinis die in dienst van Google bouwt aan de rekenwonders van de toekomst. Hij zegt dat het nog jaren duurt voordat quantumcomputers nuttige berekeningen doen.

We zijn er bijna, volgens sommige berichten. De klassieke computer loopt op zijn laatste benen en legt het binnenkort definitief af tegen de glimmende machines uit de quantumlaboratoria in de wereld. Universiteiten en bedrijven pompen miljoenen in het onderzoek en bouwen ingenieuze systemen met tientallen zogenoemde qubits, de rekeneenheden die de computer zijn kracht geven. Rolt de eerste quantumcomputer binnenkort van de band?

De beloften zijn groot. Met een quantumcomputer kunnen we straks razendsnel wetenschappelijke modellen testen, gigantische databases doorzoeken of de moeilijkste cryptografische sleutels kraken. “Ondanks dit soort berichten gaat dat niet binnen afzienbare tijd lukken”, lacht John Martinis, professor van de Universiteit van Californië in Santa Barbara, waar onderzoekers hun krachten bundelen met Google. “Het bouwen van een quantumcomputer is moeilijk, veel moeilijker dan veel mensen denken.”

Toch gaan Martinis en collega’s het proberen. In hun lab staat een systeem dat nog dit jaar quantum supremacy moet halen. Klinkt indrukwekkend, maar wat houdt het precies in? Hoe snel en hoe bruikbaar is deze eerste ‘superieure’ quantumcomputer?

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 zo’n deeltje tegelijkertijd linksom en rechtsom kan draaien. Vreemd, maar nog vreemder wordt het wanneer je informatie koppelt 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 dus?

Opmerkelijk genoeg kunnen deze deeltjes juist helpen om veel berekeningen tegelijk te doen. Daar zijn overigens ingewikkelde apparaten voor nodig, waarin je de deeltjes omvormt tot controleerbare qubits (een knipoog naar de bit, de informatie-eenheid van de klassieke computer). Ook is aparte software nodig. Werkt dat allemaal naar behoren, dan kun je met een quantumcomputer razendsnel specifieke wiskundeproblemen oplossen, of zoeken in grote (ongesorteerde) databases.

De afgelopen jaren ontwikkelden onderzoekers verschillende qubitsystemen. Ze gebruikten bijvoorbeeld in een diamantrooster gevangen elektronen, of in een magnetisch veld opgesloten ionen. Veel van het huidige onderzoek draait om supergeleidende elektronische circuits waarop qubits ontstaan. Deze systemen zouden makkelijk uit te breiden zijn. Ook Martinis’ onderzoeksgroep gebruikt deze qubits.

Op de drempel

Ergens tussen de vijftig en honderd ligt het magische aantal: zo veel qubits zijn nodig om een quantumcomputer te bouwen die naar verluidt sneller is dan een klassieke computer. De experimentele quantumcircuits groeien snel richting dit aantal. In het laboratorium van Martinis en collega’s stond in 2010 een systeem met drie qubits. Dat groeide in 2015 naar negen qubits en afgelopen jaar waren ze bezig met een systeem met 49 qubits. Momenteel is het vlaggenschip de begin deze maand aangekondigde Bristlecone die 72 qubits telt. De onderzoekers denken dat hiermee het eerder genoemde quantum supremacy binnen handbereik is.

Een elektronisch circuit waarop enkele zogenoemde qubits zitten, de rekeneenheden voor de toekomstige quantumcomputer. De onderdelen zijn doorgaans nog net met het blote oog te zien. Knap ingenieurswerk, maar eigenlijk kinderlijk eenvoudig als je het vergelijkt met moderne computerprocessoren.

 UCSB/Michael Fang

Een onderzoekster aan het werk aan een ‘quantumchip’ in het laboratorium van de Universiteit van Californië in Santa Barbara en Google.

 Quantum AI Lab Google

Quantum supremacy

Als onderzoekers quantum supremacy bereiken, is het wachten op de berichten met de claim dat de quantumcomputer de klassieke computer definitief heeft verslagen. Is dat terecht? Gaat er werkelijk een wondere wiskundige wereld open waar we razendsnel berekeningen doen waar huidige computers op vastlopen? Martinis denkt dat er weliswaar wat relatief eenvoudige chemische berekeningen te doen zijn met zo’n systeem, maar veel meer hoeven we er op computationeel gebied nog niet van te verwachten.

Maar ho, wacht, hoe het dan zit met die felbegeerde quantum supremacy? Waarom kan een ‘superieure’ quantumchip zich eigenlijk nog geenszins meten met de gigantische supercomputers die in enkele seconden biljarden bewerkingen doen? Waarin zit dan die superioriteit?

Quantum supremacy draait volledig om de ‘controleerbaarheid’ van een quantumcomputer: de mogelijkheid om hem helemaal te checken met een klassieke computer. Om te zien of hun quantumsystemen naar behoren werken – of bijvoorbeeld de qubits goed met elkaar communiceren – vallen onderzoekers nog steeds terug op gewone computersimulaties. “Wij laten een supercomputer al gauw een dag draaien om precies te voorspellen wat er binnen een quantumcircuit gebeurt”, zegt Martinis. “Alleen lopen we met de gestage uitbreidingen van onze systemen tegen de grenzen van die controleerbaarheid aan. Bij quantum supremacy kunnen we een systeem niet meer helemaal doorrekenen.”

Quantumchip met negen qubits die de onderzoeksgroep van Martinis in 2015 ontwikkelde. Dat we de quantumsystemen straks niet meer volledig kunnen doorrekenen met ‘s werelds sterkste computers staat vast. Is dat erg? Nee, waarschijnlijk niet. Naast het volledig doorrekenen van relatief kleine quantumsystemen, is het ook mogelijk om specifieke onderdelen van veel grotere quantumsystemen te controleren om te weten dat ze correct werken.

 Julian Kelly/University of California, Santa Barbara/Google

Duizend qubits in een qubit

Het blindstaren op aantallen qubits kan verhullen hoe onderzoekers worstelen met de steeds complexere quantumchips. De basisprincipes van de quantumcomputer werken, zoveel is duidelijk (zie kader Quantumrekenen op twee qubits). Maar het sturen, vasthouden en combineren van delicate quantuminformatie in een netwerk met een groot aantal qubits is een uitdaging. En die uitdaging wordt groter naarmate netwerken van qubits groeien.

Hoeveel qubits de eerste quantumcomputer die daadwerkelijk sneller berekeningen kan doen dan een klassieke computer straks heeft, is een lastig vraag. Martinis denkt in ieder geval dat je voor één echt betrouwbare qubit waarschijnlijk al duizend qubits nodig hebt. Dit veelvoud is nodig om het fragiele karakter van quantuminformatie te ondervangen: doorgaans wil die informatie nogal eens verloren gaan door ruis in het systemen. Door veel qubits te laten samenwerken is het mogelijk om de quantuminformatie te corrigeren en correct te houden.

Een quantumcomputer met een respectabele rekenkracht heeft weer een veelvoud van die zogenoemde ‘logische’, foutloze qubits nodig: duizenden, zo niet tienduizenden, afhankelijk van het probleem dat je wilt oplossen. Dat is echt andere koek dan de quantumcircuits die nu op tafel liggen. Terwijl quantum supremacy binnen handbereik is, moeten onderzoekers voor een bruikbare quantumcomputer nog veel verder reiken.

Quantumrekenen op twee qubits

Afgelopen maand lieten wetenschappers van het Delftse QuTech zien dat ze een ‘quantumcomputer’ met twee qubits in silicium twee verschillende algoritmes lieten uitvoeren. Zo konden ze testen of een functie even of oneven was, en konden ze razendsnel zoeken in een ongesorteerde database.

Gezien het kleine aantal qubits en de kleine ‘quantumproblemen’ die ze te verwerken krijgen, maakte het misschien nog niet zoveel indruk. Toch is het belangrijk om op deze manier te laten zien dat de basisprincipes van de quantumcomputer en de daarbij behorende algoritmes echt werken. Het onderzoek werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

ReactiesReageer