Waarom zijn wetenschappers zo druk met de kwantumcomputer?

Een kwantumcomputer is ontstellend veel sneller dan een moderne pc. Een gewone computer moet elke opdracht stap voor stap uitvoeren, een kwantumcomputer laat een groot aantal bewerkingen tegelijkertijd naast elkaar lopen. Vooral op het gebied van kunstmatige intelligentie wordt daardoor veel meer mogelijk; zelflerende machines worden veel effectiever en sneller.

Hoe werkt dat dan?

Stel, er zijn honderd deuren en achter één deur, ”deur 82”, ligt een appel. Een gewone computer zal alle deuren een voor een openen en sluiten totdat hij de appel heeft gevonden. Een kwantumcomputer opent alle deuren tegelijk en vindt direct de appel achter deur 82.

Hoe komt het dat een kwantumcomputer zo veel sneller is dan een gewone laptop?

Een gewone computer werkt met bits. Bits kunnen de waarde 0 of 1, ja of nee, aan of uit hebben. De computer thuis heeft daardoor miljarden bits nodig om een bepaalde opdracht te kunnen uitvoeren.

De kwantumcomputer is veel sneller omdat deze complexe qubits –van ”quantum bits”– gebruikt, bepaalde elektrisch geladen atomen of ionen. Qubits hebben geen waarde 0 of 1, maar een optelsom van kansen op een waarde tussen de 0 en de 1. Ze kunnen zelfs 0 en 1 tegelijk zijn. Dat heet ”superpositie”, een bizar verschijnsel dat zich het beste wiskundig laat beschrijven.

Meerdere qubits samen kunnen tal van superposities combineren. Die ‘plakken’ dan aan elkaar – in vaktaal heet dat ”verstrengelen”. Deze eigenschappen maken extreem krachtige kwantumcomputers mogelijk. Met twee qubits kun je gelijktijdig vier dingen doen, met tien qubits duizend dingen, en met honderd qubits 1030 –een 1 met 30 nullen– dingen. Een kwantumprocessor met een paar honderd qubits kan miljoenen berekeningen tegelijk uitvoeren in de tijd dat een traditionele processor er één doet.

Wat voegt het nieuwe onderzoek toe aan de ontwikkeling van de kwantumcomputer?

Het probleem van de kwantumcomputer is dat de afzonderlijke qubits nog niet lang genoeg stabiel zijn om betrouwbare uitkomsten te genereren. In hun experiment combineerden de onderzoekers verschillende qubits. De qubits functioneerden daardoor als eenheid, een zogeheten ”logische qubit”. Wanneer qubits worden gecombineerd in een logische qubit, blijven hun kwantumeigenschappen aan elkaar plakken.

Elke berekening met qubits heeft een bepaalde foutmarge. „Op een gegeven moment, wanneer er veel qubits en bewerkingen nodig zijn, moet de hoeveelheid fouten worden teruggedrongen”, legt onderzoeksleider Christopher Monroe, hoogleraar natuurkunde aan de universiteit van Maryland, uit in Nature. De logische qubit van de wetenschappers van de University of Maryland en Duke University heeft een methode om fouten van de afzonderlijke qubits te kunnen corrigeren.

Wat levert die correctiemethode op?

De foutmarge van de berekeningen met de logische qubit daalde fors. Het lukte om de betrouwbaarheid te verbeteren van 98,9 procent voor elke afzonderlijke berekening naar 99,4 procent voor het eindresultaat. Dat lijkt niet veel. Maar wanneer elke berekening een betrouwbaarheid van 98,9 procent heeft, zouden de uitgevoerde zes berekeningen samen in 93,6 procent van de gevallen de juiste uitkomsten geven. Dat zet de cijfers ineens in een ander licht.

Het is dan ook de eerste keer dat wetenschappers erin zijn geslaagd om de uiteindelijke berekening door een logische qubit betrouwbaarder te maken dan de optelsom van de berekeningen van de afzonderlijke qubits. De Amerikanen vergelijken de gebruikte correctie­methode met oplettende werknemers die elkaars fouten opmerken.

Hoe kan het dat berekeningen van een logische qubit minder fouten bevatten naarmate de berekening vaker wordt uitgevoerd?

Digitale techniek is nooit volledig foutloos. Dus is er een correctiemethode nodig. Dat heeft alles te maken met redundantie: als bijvoorbeeld gegevens in drievoud worden verzonden of opgeslagen en kan vervolgens worden vertrouwd op de ‘meerderheid van stemmen’; daardoor vermindert de kans op een fout van één op honderd tot minder dan één op duizend. Gangbare technologieën, zoals mobiele telefonie en hogesnelheidscommunicatie via modems, maken ook gebruik van dit principe.

„Het verbazingwekkende aan deze manier van foutcorrectie is dat je relatief onbetrouwbare qubits kunt nemen en die kunt samenvoegen tot een zeer betrouwbaar apparaat”, zegt Kenneth Brown, coauteur van het Nature-artikel en hoogleraar computertechniek aan Duke University. Logische qubits die weinig fouten maken, kunnen op hun beurt de basis vormen van betrouwbare kwantumcomputers voor praktisch gebruik.

Hoelang gaat het duren voordat de eerste kwantumcomputer op de markt komt?

Dat is nog niet bekend. Kwantumcomputers en kwantumcommunicatie zijn opkomende technologieën. De komende jaren valt er nog geen praktische toepassing te verwachten. Maar de ontwikkelen volgen elkaar in rap tempo op. Zeker nu China dit jaar de grootste kwantumcomputer ter wereld in gebruik heeft genomen: de Zuchongzhi, die is gemaakt van 66 supergeleidende qubits.

Stel, de kwantumcomputer komt er; waarvoor kan deze dan worden gebruikt?

Alles draait om rekenkracht. Uiteindelijk zal een kwantumcomputer heel veel sneller zijn dan een gewone computer. Niet twee of tien, maar 1 miljard of 1 triljard keer sneller. Berekeningen die tot op heden onmogelijk lang duren, zijn straks in een uurtje geklaard.

Autonome auto’s kunnen razendsnel verkeersinformatie uitwisselen. Ook kan iemands DNA in no time worden uitgelezen en kunnen medicijnen vervolgens exact worden aangepast op elke individuele patiënt. Een kwantumcomputer kan straks ook in een fractie van een seconde de versleuteling hacken die momenteel wordt gebruikt om e-mails en internettransacties te beveiligen. Spionagediensten likken er hun vingers al bij af. Totalitaire regimes ook.

Techreuzen zoals Google, Amazon, Microsoft en Facebook investeren miljarden in de ontwikkeling van kwantumcomputers. Dat doen ze niet voor niets. Kwantumcomputers zullen het uitlezen van ”big data” (de enorme stroom ongestructureerde gegevens die gebruikers van internet achterlaten) veel eenvoudiger maken dan tot op heden mogelijk is. De bedrijven zullen daardoor veel beter en sneller zicht krijgen op het digitale gedrag van mensen. Daarop kunnen ze vervolgens naadloos aanhaken met op maat gesneden advertenties of browserresultaten.

Kwantumtechnologie heeft de toekomst. Volgens de Amerikaanse technologiebeurs Nasdaq zal de bedrijfstak die zich bezighoudt met kwantumcomputers in 2030 zo’n 60 miljard euro waard zijn.

Kwantumrace VS en China in volle gang
Behalve aan kwantumcomputers werken wetenschappers ook aan kwantuminternet. Gegevens versturen gaat straks via razendsnel kwantuminternet dat niet te hacken is.
„China heeft wereldwijd de leiding genomen op het gebied van kwantumcommunicatie”, stelde Nicolas Gisin, natuurkundige aan de universiteit van Genève, al in 2017 in tijdschrift Scientific American. Daarin is momenteel nog niets veranderd.
De geopolitieke inzet van kwantumtechnologie is groot. Dat beseffen de Amerikanen ook. Zoals de VS in de jaren 60 van de vorige eeuw in een ruimterace waren verwikkeld met de Russen, zo zijn ze nu betrokken in een kwantumrace met de Chinezen. Via het National Quantum Initiative gaan er miljarden dollars naar de ontwikkeling van kwantumcomputers en kwantumnetwerken.
Wetenschappers van de University of Science and Technology of China in Hefei hebben op dat gebied al flinke stappen gezet. Chinese wetenschappers voerden in 2017 het eerste videogesprek via satellieten in een kwantumnetwerk over een afstand van ruim 1200 kilometer. In Hefei draait al bijna drie jaar een kwantumcommunicatienetwerk. Het is de grootste test tot nu toe van het toekomstige kwantuminternet.
Vooral banken zijn geïnteresseerd omdat kwantuminternet veilige informatieoverdracht mogelijk maakt. De informatie wordt met een speciale versleuteling verzonden via kwantumcommunicatiesatellieten. Zodra iemand daarop probeert in te breken, wordt dat direct opgemerkt doordat de verstrengeling –het aan elkaar ‘plakken’– van de qubits wordt verstoord.