Kwantumcomputing voor qubit-nieuwsgierigen

Wat is kwantumcomputing? Gewone computers werken volgens strikte regels van de logica. Maar piepkleine kwantumobjecten – zoals elektronen of fotonen van licht – kunnen deze regels doorbreken

Kwantumcomputing is het idee dat we deze doorbreking van kwantumregels kunnen gebruiken om informatie op een nieuwe manier te verwerken – een manier die totaal verschilt van de manier waarop gewone computers werken. Hierdoor zijn ze in sommige gevallen exponentieel sneller dan een gewone computer.

Een quantumcomputer zou bijvoorbeeld met gemak de codes kunnen kraken die internetbankieren veilig houden.

Zoiets als een supercomputer?

Niet precies. Een quantumcomputer is niet zomaar een “snellere” computer. Er zijn een paar specifieke taken – zoals het ontbinden van zeer grote getallen – waar een quantumcomputer geweldig in zou zijn. (Maar voor de meeste taken zou een quantumcomputer niet veel beter zijn dan een gewone computer.

Waarvoor zou een quantumcomputer dan kunnen worden gebruikt?

Ze zullen waarschijnlijk het nuttigst zijn voor overheidsinstellingen, onderzoeks- en ontwikkelingsbedrijven en universiteiten bij het oplossen van problemen waar de huidige computers moeite mee hebben.

Het eerste praktische idee, voorgesteld door de natuurkundige Richard Feynman in 1981, was om een quantumcomputer te gebruiken om quantummechanica te simuleren. Dit zou gevolgen hebben voor chemie en biologie. Scheikundigen zouden bijvoorbeeld nauwkeurig interacties tussen medicijnen kunnen modelleren en biologen zouden alle mogelijke manieren kunnen bestuderen waarop eiwitten zich kunnen vouwen en met elkaar kunnen interageren.

Waren kwantumcomputers ooit een academische curiositeit, in 1994 explodeerde de belangstelling toen de Amerikaanse wiskundige Peter Shor een manier vond om kwantumcomputers te gebruiken om codes te breken.

Huidig draaien veel online beveiligingssystemen op het principe dat het bijna onmogelijk is om een heel groot getal te nemen en uit te vinden wat de priemfactoren ervan zijn. Het enige wat een gewone computer kan doen, is elke mogelijkheid een voor een uitproberen – een taak die miljarden jaren kan duren. Met het algoritme van Shor zou een quantumcomputer deze taak in een paar uur kunnen uitvoeren.

Quantumcomputers zouden ook fantastisch kunnen zijn in het herkennen van patronen in gegevens – handig voor machine learning-problemen, zoals het kunnen identificeren van verschillende objecten op een afbeelding. Ze zouden geweldig kunnen zijn in het bouwen van modellen om de toekomst te voorspellen, zoals bij weersvoorspellingen op lange termijn.

Maar uiteindelijk zijn de toepassingen van quantumcomputing onvoorspelbaar. Thomas Watson, de president van IBM, zei in 1943: “Ik denk dat er een wereldmarkt is voor misschien vijf computers.” Nu zijn er vijf in elk huishouden.

Als de geschiedenis een leidraad is, moeten we ons nog voorstellen wat de toepassingen van kwantumcomputers zullen zijn.

Hoe werkt kwantumcomputing?

Reguliere computers zijn gebaseerd op “bits” – stel je ze voor als kleine schakelaars die naar een 1 of een 0 wijzen.

Kwantumcomputing is gebaseerd op kwantumbits, of “qubits”, die ook een 0 of een 1 kunnen voorstellen. Het gekke is dat qubits ook een gemengde toestand kunnen bereiken, een “superpositie” genoemd, waarin ze tegelijkertijd zowel 1 als 0 zijn. Deze dubbelzinnigheid – de mogelijkheid om zowel “te zijn” als “niet te zijn” – is de sleutel tot de kracht van quantumcomputing.

Hoe helpt superpositie?

Het verschil tussen gewone computers en quantumcomputers komt neer op de manier waarop ze een probleem benaderen.

Een gewone computer probeert een probleem op te lossen op dezelfde manier waarop je uit een doolhof probeert te ontsnappen – door alle mogelijke gangen te proberen, terug te keren bij dode uiteinden, totdat je uiteindelijk de uitweg vindt. Maar met superpositie kan de quantumcomputer alle paden tegelijk proberen – in wezen de kortste weg vinden.

Twee bits in je computer kunnen in vier mogelijke toestanden zijn (00, 01, 10 of 11), maar slechts één daarvan op elk moment. Dit beperkt de computer tot het verwerken van één invoer tegelijk (zoals het proberen van één gang in het doolhof).

In een quantumcomputer kunnen twee qubits ook precies dezelfde vier toestanden vertegenwoordigen (00, 01, 10, of 11). Het verschil is dat door superpositie de qubits ze alle vier tegelijk kunnen vertegenwoordigen. Dat is een beetje alsof je vier gewone computers naast elkaar hebt draaien.

Als je meer bits toevoegt aan een gewone computer, kan hij nog steeds maar één toestand tegelijk aan. Maar als je qubits toevoegt, groeit de kracht van je quantumcomputer exponentieel. Voor de wiskundigen onder ons: als je “n” qubits hebt, kun je tegelijkertijd 2n toestanden weergeven.)

Het is net als die oude fabel over een oude Indiër, Sessa genaamd, die het schaakspel uitvond. De koning was verrukt over het spel en vroeg Sessa om zijn beloning te noemen. Sessa vroeg nederig om één schaakbord met één graankorrel op het eerste veld, twee op het tweede, vier op het derde enzovoorts. De koning ging onmiddellijk akkoord, niet beseffend dat hij meer graan had weggeloofd dan er op aarde bestond. Dat is de kracht van exponentiële groei.

Net zoals elk vierkantje Sessa’s tarwe verdubbelde, verdubbelt elke extra qubit de verwerkingskracht. Drie qubits geeft je 23, wat acht toestanden tegelijk is; vier qubits geeft je 24, wat 16 is. En 64 qubits? Die geven je 264, dat zijn 18.446.744.073.709.600.000 mogelijkheden! Dat is ongeveer een miljoen terabyte waard.

Weliswaar kunnen 64 gewone bits ook dit enorme aantal (264) toestanden weergeven, maar slechts één tegelijk. Het doorlopen van al deze combinaties, met een snelheid van twee miljard per seconde (wat een typische snelheid is voor een moderne PC), zou ongeveer 400 jaar duren.

Dit alles betekent dat kwantumcomputers problemen zouden kunnen aanpakken die voor klassieke computers “praktisch onmogelijk” zijn.

Maar om die exponentiële versnelling te krijgen, moet het lot van alle qubits aan elkaar worden gekoppeld in een proces dat kwantumverstrengeling wordt genoemd. Dit vreemde verschijnsel, dat Einstein “spookachtige actie op afstand” noemde, kan kwantumdeeltjes met elkaar verbinden, zelfs als ze zich aan tegenovergestelde uiteinden van het heelal bevinden.

Wat maakt een qubit?

Om een qubit te maken, heb je een object nodig dat een toestand van kwantumsuperpositie tussen twee toestanden kan bereiken.

Een atoomkern is één soort qubit. De richting van zijn magnetisch moment (zijn “spin”) kan in verschillende richtingen wijzen, bijvoorbeeld omhoog of omlaag ten opzichte van een magnetisch veld.

De uitdaging zit in het plaatsen en vervolgens richten van dat ene atoom.

Een Australisch team onder leiding van Michelle Simmons van de Universiteit van New South Wales, heeft atomaire qubits gemaakt door een enkel fosforatoom op een bekende plaats in een siliciumkristal te plaatsen.

Een ander idee is om een elektron van het atoom te strippen en het in een ion te veranderen. Dan kun je elektromagnetische velden gebruiken om het ion in de vrije ruimte te laten zweven, en er lasers op afvuren om de toestand te veranderen.

Een stroom in een lus van supergeleidend metaal kan ook in superpositie zijn (tussen rechtsom en linksom), een beetje zoals een kleine tredmolen die tegelijk vooruit en achteruit loopt.

Een foton licht kan in superpositie zijn in de richting waarin het zwaait. Sommige groepen hebben quantumschakelingen samengesteld door fotonen door een doolhof van optische vezels en spiegels te sturen.

Hoe creëer je de superpositie?

Heb je ooit geprobeerd een munt precies op zijn rand te laten balanceren? Dat is wat het programmeren van een qubit is. Het houdt in dat je iets met een qubit doet, zodat hij in zekere zin “in balans” komt tussen verschillende toestanden.

In het geval van de atoomkern kan dat bijvoorbeeld door hem met een elektrisch of magnetisch veld te bestoken, waardoor hij een gelijke kans krijgt om de ene of de andere kant op te draaien.

Hoe lees je dan informatie uit de qubits?

Er hangt een mystiek aura over wat er tijdens een quantum-computatie allemaal gebeurt. De natuurkundigen die wat verder van huis zijn, beschrijven de qubits als een soort quantum seance met parallelle werelden om het antwoord te achterhalen.

Maar het is geen magie, het is gewoon quantummechanica.

Stel dat je nieuwe 64-qubit quantumcomputer klaar is voor zijn eerste berekening. Je plaatst alle 64 qubits in superpositie, net als 64 munten die allemaal op de rand zijn gebalanceerd. Samen houden ze 264 mogelijke toestanden in limbo. Je weet dat een van deze toestanden het juiste antwoord is. Maar welke?

Het probleem is dat het lezen van de qubits de superpositie doet instorten – alsof je met je vuist op tafel slaat met al die gebalanceerde munten.

Hier komt een kwantumalgoritme als dat van Shor van pas. Het laadt de qubits zodat de kans groter wordt dat ze aan de juiste kant vallen, en ons het juiste antwoord geven.

Zijn er al kwantumcomputers gebouwd?

Blijkbaar wel, hoewel geen van hen conventionele computers kan overtreffen.

De afgelopen drie jaar is er dramatische vooruitgang geboekt op het gebied van kwantumcomputing. Terwijl in 2016 het tijdschrift Nature nog een negen qubit computer, ontwikkeld door Google-onderzoekers, roemde. Achttien maanden later, in december 2017, meldde IBM hun 50 qubit kwantumcomputer. Binnen vier maanden was Google weer een stap verder, met hun 72-qubit ‘Bristlecone’ quantumcomputer. Ondertussen heeft IBM de eerste commercieel beschikbare kwantumcomputer geproduceerd – die cloud-toegang biedt tot hun 20-qubit Q System One-machine, tegen een prijs.

D-Wave ligt nog steeds ver voor met zijn 2000 supergeleidende lussen als qubits, hoewel sommige natuurkundigen sceptisch zijn dat D-Wave een echte quantumcomputer heeft gebouwd.

Alle grote spelers hebben de volgende grote mijlpaal in het vizier: “quantum suprematie”. Dit betekent dat een quantumcomputer een probleem oplost dat de mogelijkheden van klassieke machines te boven gaat. Theoretisch zou dit mogelijk moeten zijn met een 50-qubit machine, maar alleen als de foutenpercentages laag genoeg zijn.

Waarom is het zo moeilijk om een quantumcomputer te bouwen?

Er zijn uitdagingen op elk niveau, van het in elkaar zetten van qubits, tot het lezen en schrijven van informatie erop, tot het heen en weer pendelen van informatie zonder dat deze in een waas van onzekerheid verdwijnt.

Een qubit is de ultieme diva. Terwijl een Hollywoodsterretje misschien een gigantische kleedkamer en een bad vol rozenblaadjes eist, eist een qubit perfecte isolatie en een thermostaat die op een honderdste van een graad boven het absolute nulpunt staat. De geringste trilling van een atoom in de buurt kan een qubit een quantumwoedeaanval bezorgen en zijn superpositie doen verliezen.

Het grootste probleem is hoe de delicate toestanden van superpositie en verstrengeling lang genoeg in stand kunnen worden gehouden om een berekening uit te voeren – de zogenaamde coherentietijd.

Ondanks deze ontzagwekkende uitdaging is de race om de eerste praktische quantumcomputer te bouwen een van de grootste wetenschappelijke uitdagingen van onze tijd geworden – waarbij duizenden natuurkundigen en ingenieurs in tientallen over de hele wereld verspreide onderzoeksinstituten zijn betrokken.