Computers kennen we allemaal. Bijna iedereen heeft thuis wel één of meer computers. Ook smartphones tellen mee, want dat zijn ook een soort minicomputers. Computers kunnen steeds sneller heel veel – en vaak ook ingewikkelde – berekeningen doen, zodat de toepassingen van de computer steeds geavanceerder worden. Maar er zijn grenzen aan wat een ‘gewone’ computer kan. Zou een nieuw soort computer, de quantumcomputer, hier verandering in kunnen brengen?
Alles wat een computer doet, wordt bestuurd vanuit het hart van de computer: de processor. Dat is de rekeneenheid waar de verwerking plaatsvindt van de taken die de computer krijgt opgedragen. Iedere taak die de computer krijgt, is het resultaat van allemaal rekensommetjes. In de processor wordt daarvan de optelsom gemaakt, wat ervoor zorgt dat de computer doet wat hij moet doen.
Bits
Deze rekensommen doet de processor met cijfers, maar niet met de cijfers uit het getallenstelsel dat wij gebruiken in het dagelijks leven, het decimale stelsel. Een computer rekent met binaire getallen. Dit zijn getallen die zijn opgebouwd uit nullen en enen.
De eenheid in een computer die 0 of 1 kan zijn, noem je een bit. Maar hoe maak je een bit die nul of één kan zijn? “Om zo’n bit te maken heb je een systeem nodig dat twee toestanden heeft. Je zou dit bijvoorbeeld kunnen doen met een kraan die aan of uit staat”, legt Evert van Nieuwenburg uit. Hij werkt als universitair docent aan de Universiteit Leiden en doet daar onder andere onderzoek naar quantumalgoritmes. “Maar een kraan is natuurlijk niet heel efficiënt. Bij de ontwikkeling van klassieke computers zijn verschillende systemen uitgetest, maar uiteindelijk heeft één soort bit de race gewonnen, omdat die handig is en goed geproduceerd kan worden: de transistor.” In klassieke computers zitten dan ook ontzettend veel transistoren – kleine schakelaartjes die aan of uit kunnen staan – op een chip. Daarmee worden alle berekeningen uitgevoerd. Omdat de productietechnieken van chips steeds beter worden, passen er steeds meer transistoren op hetzelfde oppervlak. Hierdoor krijgen digitale computers steeds meer rekenkracht.
Quantumbits
Hoe zit dit dan bij een quantumcomputer? Werkt die ook met nullen en enen? Inderdaad werkt een quantumcomputer ook met systemen die twee toestanden kunnen hebben die nul en één representeren. Het systeem dat twee toestanden kan hebben, noem je bij de quantumcomputer een qubit, een quantumbit. Maar bij de qubit is er iets fundamenteel anders dan bij een klassieke bit: een qubit kan namelijk op één tijdstip een willekeurige combinatie van 0 en 1 zijn. Dat klinkt wonderlijk en dat is het natuurlijk ook. Het komt omdat de qubit een quantumsysteem is.
Een quantumsysteem is een systeem waarin quantumeffecten optreden. Dat betekent dat het systeem zich in twee toestanden tegelijk kan bevinden. Van Nieuwenburg: “Net als bij gewone bits zijn er verschillende kandidaten voor het maken van qubits. Je zou bijvoorbeeld supergeleidende ringetjes kunnen maken waar stroom doorheen loopt. Door het quantumeffect in het supergeleidende materiaal kan de stroom in deze ringetjes tegelijkertijd linksom én rechtsom bestaan. Ook kun je een qubit maken met fotonen of met ionen.”
Welke soort qubit uiteindelijk de meest geschikte kandidaat zal zijn om een quantumcomputer mee te maken, vindt Van Nieuwenburg moeilijk te voorspellen. “Nu lijkt de meest ontwikkelde vorm de supergeleidende qubit, maar ook de ontwikkeling van qubits met ionen gaat snel. Het zou zomaar kunnen dat deze ionenqubits de supergeleidende qubits voorbij schieten en uiteindelijk als winnaar uit de bus komen.”
Verstrengeling
Een quantumcomputer rekent dus met qubits, quantumsystemen die tegelijkertijd 0 en 1 kunnen zijn. Bovendien treedt er tussen deze quantumsystemen ook verstrengeling op. Er bestaat samenhang tussen het ene quantumsysteem en het andere. “Verstrengeling betekent dat als je twee quantumsystemen hebt en je weet iets van het ene systeem, dat je dan ook meteen iets weet over het andere quantumsysteem”, legt Van Nieuwenburg uit.
“Stel dat ik twee kaarten elk in een aparte envelop stop en ik weet niet welke kleur de kaarten hebben, maar wel dat ze complementaire kleuren hebben”, verduidelijkt Van Nieuwenhuizen. “Vervolgens stuur ik één van die enveloppen op naar iemand aan de andere kant van de wereld. Als ik dan mijn envelop openmaak en zie dat er een blauwe kaart in zit, dan is de kleur van de andere kaart direct oranje – de complementaire kleur van blauw – geworden. De toestand van mijn ‘deeltje’ (kleur van de kaart) bepaalt dus wat de toestand is van het andere ‘deeltje’ (kleur opgestuurde kaart), de toestanden van de beide deeltjes zijn als het ware met elkaar verbonden. Zo zou je je verstrengeling tussen twee quantumsystemen kunnen voorstellen.”
De qubits in een quantumcomputer kunnen dus niet alleen tegelijkertijd nul en één zijn, er treedt ook verstrengeling op. Dit maakt de quantumcomputer zo bijzonder. Een quantumcomputer kan hierdoor bijvoorbeeld berekeningen uitvoeren waar een klassieke computer veel te lang over zou doen. “Een voorbeeld hiervan is het ontsleutelen van berichten die beveiligd zijn met cryptografie. Maar bijvoorbeeld ook het doorrekenen van de energieën van moleculen en enzymen. Een klassieke computer zou hier misschien wel miljarden jaren over doen, omdat er zo veel opties zijn om door te rekenen”, licht Van Nieuwenburg toe. “Door gebruik te maken van verstrengeling zou dat met een quantumcomputer veel sneller kunnen.”
Oplossen nieuw soort problemen
“Daarnaast zijn er ook problemen waarvan we denken dat alleen een quantumcomputer deze kan oplossen”, vervolgt Van Nieuwenburg. “Terwijl een klassieke computer deze problemen in nog geen miljoen jaar zou kunnen oplossen, zal een quantumcomputer dat misschien in een paar minuten kunnen.” Zijn collega Vedran Dunjko, die werkt als hoogleraar quantum computing aan de Universiteit Leiden, doet hier onderzoek naar. Hij onderzoekt wat voor soort problemen en algoritmes alleen met een quantumcomputer opgelost zouden kunnen worden. Hiermee wil hij een beter zicht krijgen op de nuttige toepassingen van de quantumcomputer.
Dunjko: “Een voorbeeld van een probleem dat alleen met een quantumcomputer zou kunnen worden opgelost is het simuleren van complexe quantumsystemen, zoals dat van nieuwe exotische materialen. Dit zijn bijvoorbeeld hogetemperatuursupergeleiders of materialen met topologische eigenschappen. In onze onderzoeksgroep aQa hebben we ontdekt dat er voor quantumcomputers ook toepassingen zijn in de machinelearning.” Machinelearning is het proces waarbij een machine data gebruikt om zijn taak steeds beter uit te voeren, waardoor de machine dus zelflerend is. “Een quantumcomputer zou hierbij data van complexe systemen kunnen analyseren, om hiervan te leren”, vervolgt Dunjko. “Zo’n analyse zou met een klassieke computer onmogelijk zijn."
Uitlezen resulaten
Hoe lees je bij een quantumcomputer het antwoord uit? Als je bij een klassieke computer wilt weten wat het antwoord is op een berekening, kun je het antwoord eenvoudig uitlezen door te kijken in welke stand de schakelaartjes – de transistoren – staan. Van Nieuwenburg: “Bij een quantumcomputer doe je dat door een signaal naar de qubits te sturen. Bij de supergeleidende qubits stuur je bijvoorbeeld een stroompje door de qubit en kijk je hoe het stroompje dat terugkomt eruitziet. Bij qubits die werken met ionen, stuur je laserpulsen op het quantumsysteem af. Afhankelijk van de toestand van de ionen, komt de laserstraal dan anders terug, met een andere kleur of een andere fase.
Voor het uitlezen moet je bij een quantumcomputer dus een signaal versturen naar je quantumsysteem. Maar daarmee verstoor je wel meteen de qubit. Je maakt zijn quantumtoestand kapot. De qubit heeft dan dus ‘gekozen’ of deze 0 of 1 is. Welke keuze het was, kun je dan zien aan hoe het uitgezonden signaal terugkomt. Als je een quantumcomputer wilt uitlezen, zul je dus altijd detectoren nodig hebben die je moet koppelen aan een klassieke computer. En verbreek je altijd de quantumtoestand.
Technische uitdagingen
Het klinkt allemaal misschien te mooi om waar te zijn. Een nieuw soort computer die berekeningen kan doen, die een klassieke computer veel te veel tijd kosten. Of die dingen kan die we met een gewone computer niet kunnen. Waarom is deze computer er dan nog niet? Dat komt omdat de techniek om een quantumcomputer te maken extreem ingewikkeld en uitdagend is. “Een quantumcomputer heeft veel last van ruis. Je moet een quantumcomputer daarom heel goed afschermen van de buitenwereld. De computer moet trillingvrij zijn ten opzichte van de loopruimte, zodat er geen trillingen bij het systeem aankomen die de quantumtoestand beïnvloeden. Ook moet bij de meeste systemen de temperatuur extreem laag gehouden worden – in de buurt van het absolute nulpunt – en stabiel zijn”, benadrukt Van Nieuwenburg.
“Je moet het systeem dus goed isoleren, maar tegelijkertijd moet je ergens een verbinding maken met de buitenwereld om een signaal te kunnen versturen en weer te kunnen opvangen. Dat is waar het zwakke punt zit. Een quantumcomputer is daarom een heel fragiel systeem. Om het te ontwikkelen moeten we echt de rand van de wetenschap en techniek opzoeken.”
Doordat een quantumcomputer veel last heeft van ruis geeft dat problemen bij het uitlezen van qubits. Als je de waarde van een qubit uitleest, is het op basis van deze ene meting niet mogelijk te zeggen of dit het juiste antwoord is. “Je zult iedere berekening heel vaak moeten uitvoeren. Elke keer kijk je: is het 0 of 1? Je krijgt dan een verdeling en de uitkomst die het meeste voorkomt, dat is dan het juiste antwoord”, legt Van Nieuwenburg uit. “Bij één bit is dit te overzien, maar heb je een systeem van twee bits, dan zijn er natuurlijk wel vier mogelijkheden: 0-0, 0-1, 1-0 of 1-1. Bij n qubits schaalt dat dus enorm op.” Om dit probleem te ondervangen, wordt er gewerkt aan een manier om foutcorrectie toe te passen. “Dit denken ze te doen door heel veel qubits te groeperen in een clubje, dat dan samen een nieuwe qubit vormt, een zogenoemde ‘logical qubit’. Maar dan heb je bijvoorbeeld wel 1000 qubits nodig om één foutgecorrigeerde qubit te maken, wat natuurlijk wel veel extra kost.”
Toekomst voor de quantumcomputer?
Er zijn nog veel onzekerheden en hobbels te nemen bij het ontwikkelen van een goed werkende quantumcomputer. Sommige mensen hebben er een hard hoofd in of het ooit gaat werken. Anderen zien er ondanks de vele moeilijkheden wel toekomst in. “Ik zie dat er in de ontwikkeling van de quantumcomputer elke paar maanden wel weer een oplossing gevonden is voor een technisch probleem, die je eigenlijk pas later zou verwachten. Stel dat er een toepassing is die we nog niet kennen en we zijn pessimistisch en stoppen ermee. Dat zou ik zonde vinden”, vertelt Van Nieuwenburg enthousiast. Hij werkt dan ook met plezier verder in dit bijzondere, spannende vakgebied.
