Je leest:

Van kwakkelende qubits tot quantumcomputer

Van kwakkelende qubits tot quantumcomputer

Op bezoek bij het Delftse QuTech

Stapels nieuwsberichten suggereren dat de realisatie van de quantumcomputer ‘weer een stapje dichterbij is’. Toch moeten we waarschijnlijk nog jaren wachten op een echt krachtige quantumrekenmachine. Hoe staat het er nu voor met het apparaat dat de prestaties van de huidige supercomputers kan doen verbleken? NEMO Kennislink gaat op bezoek bij het Delftse QuTech, het Nederlandse walhalla als het gaat om de ontwikkeling van de quantumcomputer.

IBM gaat quantumcomputing aanbieden via de cloud

Maandag 6 maart 2017 maakte IBM bekend dat het plannen heeft om een vijftig qubit quantumcomputer te bouwen die het computerbedrijf online ter beschikking willen stellen aan wetenschappers en het bedrijfsleven.‘IBM Q’, zoals de technologie gaat heten, zal problemen op kunnen lossen die momenteel nog te complex zijn voor ‘conventionele’ supercomputers. Hoe ver zijn we eigenlijk met quantumcomputers in Nederland? Kennislinkredacteur Roel ging eerder op bezoek bij het Delftse QuTech, het Nederlandse walhalla als het gaat om de ontwikkeling van de quantumcomputer.

‘Quantumdisneyland’ is de term waarmee Julia Cramer de tafel voor me in één woord beschrijft. En inderdaad, de honderden onderdelen die in deze voor de rest vrij donkere kelder in verschillende kleurtjes oplichten hebben wel iets weg van een pretparkattractie. Rood, groen en geel; de nauwkeurig opgestelde lensjes en prisma’s fonkelen intens. Tussen de optische onderdelen zie ik als ik goed kijk laserstralen.

Klapstuk   tu delft   qutech %2867 of 113%29 edit
De ‘quantumopstelling’ in het licht.
QuTech/TU Delft

Cramer is promovendus van de TU Delft en leidt me rond binnen het QuTech-instituut. Het werd in 2013 door de universiteit en TNO in het leven geroepen om het toch al florerende Delftse quantumonderzoek te bundelen en een extra zetje in de rug te geven. In de kelder van de faculteit Technische Natuurwetenschappen sta ik nu oog in oog met het hart van een complexe ‘quantummachine’.

Lasershow

In Delft wordt hopelijk de basis gelegd voor de quantumcomputer, maar met deze opstelling wordt nog niet gerekend. De bonte lasershow stuurt een zogenoemde qubit (quantumbit) aan die zich ergens in de opstelling bevindt. In dit geval een setje elementaire deeltjes – een Elektron en een aantal koolstofkernen – gevangen in een diamant enkele graden boven het absolute nulpunt. Het wispelturige en niet-intuïtieve quantumgedrag van deze deeltjes kan in theorie het hart vormen van een supersnelle computer.

De allereerste rekenstapjes werden al eind jaren negentig met enkele qubits gedaan door zeer experimentele quantumcomputers. Wat betreft rekenkracht was dat kinderspel. Inmiddels proberen wetenschappers de prestaties van de experimentele quantumcomputers op te krikken. Daarvoor zijn grote aantallen qubits nodig die ondanks hun grillige quantumtrekjes naadloos samenwerken. In Delft wordt daar werk van gemaakt.

20130411 tudelft tnw mg 1564
Julia Cramer (midden, links) met haar collega’s.
QuTech/TU Delft

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.

Fouten oplossen

Een voorwaarde voor een computer is dat hij feilloos werkt. Dat geldt zowel voor een gewone, als voor een quantumcomputer. Je wilt geen foute berekeningen of dataverlies tijdens het opslaan. Waar klassieke computers systemen hebben om fouten in data – bijvoorbeeld het per ongeluk veranderen van een bit – op te sporen moeten die methodes voor de quantumcomputer nog ontwikkeld worden.

Julia Cramer blogt voor Faces of Science op NEMO Kennislink over haar ervaringen als onderzoeker. Klik hier voor haar blog.

De draairichting van een deeltje dat wordt gebruikt als qubit (dat gekoppeld is aan de informatie die erin is opgeslagen) kan bijvoorbeeld worden verstoord door een interactie met zijn omgeving. Het is echter mogelijk om opgeslagen quantuminformatie te controleren en zo nodig te ‘corrigeren’.

Trucje

Dat principe van quantumfoutcorrectie was al lange tijd bekend, maar het bleek vooralsnog lastig om toe te passen. Cramer en collega’s waren recent de eersten die een systeem ontwikkelden om een qubit voor langere tijd te controleren en te beschermen tegen verstoringen van buitenaf. Ze publiceerden er vorige maand een wetenschappelijk artikel over in het wetenschappelijk tijdschrift Nature Communications.

Dat was een knap staaltje onderzoek, want het is verdomd lastig om verstoringen in een qubit te corrigeren én de erin opgeslagen informatie te behouden. De quantumwetten staan namelijk niet toe informatie te bekijken zonder de staat van het deeltje te veranderen. “Het direct bekijken of kopiëren van quantuminformatie uit een qubit maakt hem eigenlijk meteen stuk. Je moet daarom een trucje toepassen”, zegt Cramer.

Ze legt het trucje uit, waarbij de quantuminformatie die normaal gesproken in een enkele qubit wordt gestopt over verschillende qubits wordt verdeeld. Zoals eerder gezegd is het niet mogelijk om die informatie direct te bekijken zonder de fragiele quantumtoestand te vernietigen. “Maar we kunnen qubits wél met elkaar vergelijken”, zegt Cramer. “Zien we dat een van die qubits spontaan is omgeklapt en dus afwijkt van de andere twee, dan weten we dat daar een fout zit die te corrigeren is met microgolven.”

Qec sketch
Het principe van quantumfoutcorrectie: eerst wordt een quantumtoestand opgeslagen in meerdere quantumbits. Vervolgens worden deze quantumbits vergeleken met metingen: zijn ze nog hetzelfde of niet? De gedetecteerde fout wordt gecorrigeerd en alle informatie is er nog.
privearchief Julia Cramer

Het vergelijken van de drie qubits gebeurt met een elektron dat in het midden tussen de drie koolfstofkernen in het diamant is gevangen. “Door dat elektron te manipuleren met licht (het is in staat lichtdeeltjes op te nemen en weer uit te zenden – red.) kunnen we de qubits eromheen controleren”, zegt Cramer. “Zonder dat we de quantuminformatie in de qubits hoeven te bekijken en daarmee kapotmaken.”

Steeds meer qubits

Foutloos rekenen is een voorwaarde voor de toekomstige quantumcomputer, maar ook moet hij over een behoorlijke rekenkracht beschikken. De enkele qubits in de huidige experimenten laten mooi zien dat een quantumprocessor echt werkt, maar de problemen die ze aanpakken zijn doorgaans zelfs met potlood en papier op te lossen. Willen we naar meer computerkracht dan zijn er meer qubits nodig: tientallen en uiteindelijk misschien wel honderden. Het is een enorme uitdaging om zoveel wispelturige deeltjes met elkaar te laten ‘praten’ en in het gareel te houden, zonder dat hun delicate quantuminformatie verdwijnt.

Een van de onderzoekers die werkt aan het steeds groter maken van een systeem met qubits is Niels Bultink, promovendus binnen QuTech. Zijn groep Superconducting Quantum Circuits maakt chips die wel een beetje lijken op een klassieke computerchip, met keurig ontworpen geleidende banen die verschillende onderdelen op de chip aan elkaar verbinden. Ook het proces waarmee ze gemaakt worden is gelijk: lithografie. De verbindingen zijn echter niet van silicium gemaakt, maar van het supergeleidende niobiumtitaannitride. En ook zijn ze – in tegenstelling tot moderne computerchips – met het blote oog te zien. De hele chip meet vijftien bij drie millimeter. Bultink laat me in het lab een exemplaar zien met vijf gekoppelde qubits.

5 qubits
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 stroom 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

Kronkelende slangetjes

De baantjes hebben wel iets van een kronkelende slang – niet iets wat je ziet op een normale chip. Bovendien verbinden ze kleine onderdelen op de chip met daarin nog kleinere ‘slangetjes’. Waarom al dat gekronkel? Bultink legt uit dat dit zogenoemde resonatoren zijn, waarin elektrische stromen met een specifieke frequentie trillen. “Het mooie van zo’n resonator is dat de frequentie ervan wordt beïnvloed door een qubit, zónder dat de informatie in de qubit kapot gaat”, zegt hij. In feite is dit dus weer zo’n trucje om de gevoelige quantuminformatie zoveel mogelijk met rust te laten.

De qubits zelf zijn overigens ook resonatoren, waarin stromen zich gedragen als een ‘quantumdeeltje’. “De besturing van de qubits verloopt door licht met een bepaalde golflengte op de qubits te schijnen. Ook zijn er grotere resonatoren aanwezig waarlangs de qubits met elkaar kunnen communiceren als dit nodig is”, zegt Bultink.

Zoals gezegd, meer qubits is in principe beter. Bultink legt uit dat er de komende jaren binnen QuTech hard wordt gewerkt om het aantal qubits te verhogen. “We hebben net een beurs gekregen om een systeem te ontwikkelen met in totaal zeventien qubits”, zegt hij. “Dat is een grote uitdaging qua ontwerp. Naarmate er meer qubits en dus resonatoren op een chips komen, wordt het steeds lastiger om ervoor te zorgen dat ze elkaar niet (ongewild) beïnvloeden. Bovendien kom je al snel in de knel met het aantal verbindingen dat je op de chip moet maken.”

Lab qutech
Twee opstellingen in het lab van QuTech. In deze twee opstellingen worden circuitjes van supergeleidende materialen gekoeld tot net boven het absolute nulpunt. Op deze chips kunnen vervolgens qubits worden gecreëerd die met apparatuur op de verdieping hierboven wordt aangestuurd (vandaar de grote gaten in het plafond).
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Een van de oplossingen voor die ‘verbindingsproblemen’ op de chip is om de geleidende circuitjes van de qubits niet via de zijkant van de chip aan te sluiten, maar dwars door de chip heen aan de onderkant. Eigenlijk is dat vergelijkbaar met klassieke chips, maar het is vooralsnog lastig om de stroompjes een scherpe hoek te laten maken die daarbij hoort. In de groep van Bultink is een oplossing daarvoor nu een van de prioriteiten.

“Uiteindelijk hopen we over een paar jaar zeventien werkende qubits op een chip te hebben”, zegt hij. “Daarvan worden er overigens ook veel gebruikt voor foutencorrectie. Precies zoals bij de qubits in diamant, maar dit systeem zou volgens Bultink nog bestendiger zijn tegen mogelijke fouten of zelfs combinaties van verschillende fouten. Van de zeventien qubits zijn er uiteindelijk negen ‘datadragend’, die samen de informatie van één logische qubit dragen. De rest wordt gebruikt om informatie van verschillende qubits met elkaar te vergelijken.”

Ook het zogenoemde Majorana-deeltje, dat in 2012 voor het eerst werd gedetecteerd in Delft, kan theoretisch de basis vormen voor een qubit. Binnen QuTech wordt daar onderzoek naar gedaan.

Verschillende wegen naar Rome

Aan het einde van de tour duizelt het me een beetje. Naast de in dit artikel beschreven diamanten en supergeleidende qubits ben ik óók nog op bezoek geweest bij de afdeling die Majorana-deeltjes probeert in te zetten als qubits (zie kader). En bij de onderzoekers die met elektronen complexe quantumsimulaties van het gedrag van materialen willen doen. Alle informatie moet even bezinken. Het laat de breedte van het onderzoek binnen QuTech zien.

De vraag rijst of al deze afdelingen nu concurrenten van elkaar zijn als het gaat om het ontwikkelen van een quantumcomputer. Misschien, maar Cramer zegt dat de groepen vredig naast elkaar werken, afgezien van een gezonde ‘competitie’. “Wij komen juist vaak bij elkaar om te overleggen”, zegt ze. “Daarbij kan de ene groep de ander vaak helpen met problemen, die soms vergelijkbaar zijn.”

De qubits op supergeleidende circuits hebben voordelen, geeft Cramer toe. Ze kunnen goed gefabriceerd worden op mooie chips met precies de eigenschappen die de onderzoekers willen. “Maar ónze qubits in diamant zijn veel langer stabiel en de enige die over een afstand met elkaar kunnen communiceren”, zegt ze. “Dat is weer essentieel voor netwerken van quantumcomputers.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 10 juni 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE