‘Tien jaar voor bouwstenen quantumcomputer’

*) Dit artikel komt uit Surf Magazine. Hier kunt u een gratis abonnement op nemen.

Tim Hugo Taminiau leidt een onderzoeksgroep bij QuTech, het instituut voor quantumonderzoek in Delft, waar hij onderzoek doet naar quantumfysica en quantuminformatica gebaseerd op spintoestanden. Zijn groep onderzoekt hoe quantumtoestanden verloren gaan en of het mogelijk is deze praktisch oneindig te beschermen zodat grootschalige quantumberekeningen mogelijk worden.

Wat is een quantumcomputer?

“Een quantumcomputer gebruikt de vaak tegen-intuïtieve natuurwetten van de quantummechanica om problemen op te lossen die buiten de mogelijkheden van klassieke computers liggen. Heel grofweg:
klassieke informatiesystemen gebruiken bits, en als je informatie opslaat is het 0 of 1. In de  quantummechanica draait het echter om ‘quantumbits’, heel kleine deeltjes zoals een elektron die tegelijkertijd 0 én 1 kunnen zijn. We noemen dat ‘superposities’ van zo’n deeltje. Door die superposities te gebruiken, kun je heel veel berekeningen parallel laten lopen en door deze slim te combineren kun je heel efficiënt oplossingen vinden. Daar komt de kracht van de quantumcomputer vandaan.
Neem bijvoorbeeld het kraken van encryptie. Daarmee wordt veel internetcommunicatie beveiligd, inclusief bankieren. Voor een klassieke computer wordt dat exponentieel moeilijker bij elk cijfer dat aan de code wordt toegevoegd. Een sleutel van duizenden cijfers betekent al snel astronomisch grote computers en rekentijden. Maar een quantumcomputer zou er geen moeite mee hebben.
Andere mogelijke toepassingen zijn het simuleren van quantumsystemen, en dat is eigenlijk alles in de natuur. Je kunt dan denken aan materialen zoals supergeleiders, maar ook aan biologische systemen en chemische reacties. Met quantumcomputers kun je gaan begrijpen hoe die nu echt werken. En misschien voorspellen wat de werking zal zijn van nieuwe materialen, chemische stoffen en medicijnen.”

Wereldwijd wordt er gewerkt aan de ontwikkeling van quantumcomputers. Waar staat Nederland op dit gebied?

“Hier in Delft lopen we behoorlijk voorop met ons instituut QuTech. Daarin werken de faculteiten Technische Natuurwetenschappen en Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica van de TU Delft samen met TNO. Delft was al heel sterk in quantumonderzoek: diverse groepen staan in de voorhoede van de wetenschap.
Maar nu kunnen we dat combineren met de vereiste engineering en informatica. Bovendien hebben we genoeg expertise in huis om onderzoek te doen naar vier veelbelovende types quantumbits. Ik denk dat dit ook de reden is waarom Microsoft en Intel investeren in QuTech. Het is een unieke combinatie van mensen en ideeën, die de quantumcomputing echt vlot kan gaan trekken. Dat maakt het extra spannend om hier te werken.”

Jullie schijnen ook heel goed te zijn in de experimentele kant.

“We hebben onlangs als eersten laten zien dat quantumnetwerken echt mogelijk zijn. Die werken met ‘verstrengeling’. Dat is ook een superpositie, maar dan van meerdere deeltjes. Twee verstrengelde deeltjes moeten samen als één systeem beschreven worden, zodat metingen op een deeltje onmiddellijk invloed op het andere deeltje hebben, zelfs als je ze heel ver uit elkaar brengt.
Einstein dacht dat zo’n ‘spookachtige invloed’ tussen deeltjes niet kon bestaan. Wij verstrengelden echter twee deeltjes op afstand door fotonen tussen twee testopstellingen met een tussenafstand van 1,3 kilometer te sturen. De resultaten komen wel degelijk overeen met de quantummechanica.
Dat was erg leuk: enerzijds was er het wetenschappelijke vraagstuk dat al een eeuw speelde, en anderzijds bewezen we dat quantummechanica bruikbaar is voor fundamenteel veilige communicatie. Je kunt er namelijk niet tussen komen: wanneer twee quantumdeeltjes ‘verstrengeld’ zijn, hebben ze een koppeling die niet is na te maken. Het maakt niet uit hoeveel rekenkracht iemand heeft of hoe slim hij is: als hij gebonden is aan de natuurwetten, dan is het veilig.
Ook als iemand probeert de  communicatie te onderscheppen, krijgt hij maar heel gelimiteerde informatie en verstoort hij het quantumsysteem meteen, want in de quantummechanica is waarneming een vorm van interactie. Hetzelfde geldt als hij het systeem valse informatie probeert te voeden. Dus als je informatie stuurt over een quantumnetwerk, weet je van tevoren zeker of je al dan niet wordt afgeluisterd.”

Betekenen quantumnetwerken het einde van de glasvezelkabel?

“Zeker niet: we hadden juist glasvezel nodig om die verstrengeling op twee locaties te realiseren. En zodra je zo’n bit gebruikt, is de verstrengeling weer weg en moet je de kabel dus opnieuw gebruiken. Je blijft dus toch gebonden aan glasvezelkabels en de snelheid van het licht. Maar het belangrijkste voordeel van quantumnetwerken is de veiligheid. Ons doel is om een fundamenteel veilig netwerk van quantumcomputers te bouwen, eerst in Nederland en uiteindelijk over de hele wereld.”

Het ziet er veelbelovend uit, maar hoe lang gaat het duren voor quantumcomputers echt gebruikt kunnen worden?

“Het blijft wetenschap, en dus verkennen we uiteindelijk onbekend terrein. Maar ons doel is dat we over tien jaar alle bouwstenen hebben om een quantumcomputer te kunnen bouwen.”

Wat is de grootste hobbel?

“Je moet honderden miljoenen quantumbits tegelijk in bepaalde toestanden brengen én houden. Dat  is heel moeilijk omdat quantumsystemen heel kwetsbaar zijn. Het vraagt bijvoorbeeld extreme koeling, tot vlak boven het absolute nulpunt.
Bij heel grote quantumberekeningen zul je toch altijd nog  verstoringen hebben. Dat vraagt om een andere oplossing. Je moet fouten detecteren en oplossen terwijl het systeem werkt, en dat moet heel voorzichtig want alleen al een waarneming van de berekening kan voldoende zijn om het rekenproces te verstoren.
De oplossing is het detecteren van fouten via voorzichtige waarnemingen en een heel geavanceerd ‘klassiek’ computercontrolesysteem dat de quantumfouten kan verwerken en corrigeren. Ook dat is een uitdaging op zich. Kortom: je hebt heel veel verschillende experts nodig voor het bouwen van een groot quantumsysteem.”  

Zullen zulke quantumcomputers uiteindelijk de grote systemen voor high-performance computing gaan vervangen?

“Quantumcomputers blijven waarschijnlijk altijd duurder en ingewikkelder dan klassieke computers. Tegelijk kun je met zo’n klassieke computer heel veel soorten problemen al prima oplossen.  Quantumcomputers zijn dus specifiek geschikt om juist die belangrijke vraagstukken aan te pakken die gewoon niet opgelost kunnen worden op klassieke computers. Maar in principe kan een quantumcomputer alles wat klassieke computers kunnen, en nog méér.”