Zes concepten: ontwikkeling kwantumcomputers en qubits uitgelegd

Zes concepten voor praktisch bruikbare kwantumcomputers uitgelegd: hoe gaan we rekenen met qubits na 2021. De eerste kwantumcomputers moeten het nog doen met enkele tientallen foutgevoelige qubits, terwijl er duizenden of miljoenen stabiele qubits nodig zijn. Welke technieken die schaalvergroting kunnen bewerkstelligen om de race naar de eerste praktische kwantumcomputer te winnen, staan nog open.

Inleiding: Veelbelovende ontwikkelingen en kwantumcomputers

Kwantumcomputers zijn momenteel een van de meest veelbelovende ontwikkelingsgebieden. We staan waarschijnlijk aan het begin van een fase van technische doorbraken en verrassende toepassingen. Er zijn zoveel verschillende bedrijven en instituten bezig met het verwezenlijken van kwantumcomputing dat het moeilijk is om het overzicht te behouden. Vooral omdat alle partijen totaal verschillende technische benaderingen volgen.

De basis: kwantumbits (qubits)

De doorslaggevende basis voor kwantumcomputing wordt gevormd door kwantumbits, of kortweg qubits. Dat is een kwantummechanisch systeem met twee toestanden. In tegenstelling tot de conventionele bits van de klassieke computertechnologie, die alleen de waarde 0 of 1 aannemen, kan een qubit elk van zijn twee toestanden belichamen.

Kwantumverstrengeling

Maar de echte magie van kwantumcomputing ligt in de mogelijkheid om qubits te verstrengelen. Verstrengeling is een kwantummechanische correlatie waarvoor niets vergelijkbaars bestaat in de wereld van macrosco­pische, zichtbare dingen.

Onderlinge verbondenheid

Het leidt ertoe dat de verstrengelde qubits een gemeenschappelijke toestand delen of een meervoudig kwantumobject vormen, onafhankelijk van de onderlinge afstand. Als een van die qubits gemanipuleerd wordt, veranderen alle qubits die ermee verstrengeld zijn tegelijkertijd, maar blijven de onderlinge relaties intact. Dus als de toestand van een deeltje gemeten wordt is de toestand van het andere deel ook bekend.

Er zijn vele manieren waarop qubits met elkaar verstrengeld kunnen zijn. Zo kan een reeks ­verstrengelde qubits samen alleen veelvouden van zes of alleen priemgetallen weergeven. In verstrengeling ligt de sleutel tot het oplossen van specifieke wiskundige problemen. Kwantumcomputers zouden bijvoorbeeld kunnen helpen bij het oplossen van de Schrödinger-vergelijking voor complexe moleculaire structuren.

Eigenschap van materiaal detecteren

Dat zou het mogelijk maken de eigenschappen van materialen te bepalen zonder ze eerst chemisch te ­moeten synthetiseren. Andere toepassingsgebieden zijn optimalisatieproblemen zoals het handelsreizigersprobleem in de logistiek en het optimaliseren van finan­ciële portefeuilles met inachtneming van diverse onzekerheden.

Bekende algoritmen van Lov ­Grover en Peter Shor laten zien hoe kwantum­computers gangbare encryptiemethoden zouden kunnen ­breken. Er is dus geen gebrek aan zeer reële gebruikssituaties.

Alleen voor specifieke taken

Maar kwantumcomputers zijn niet geschikt voor alle mogelijke berekeningen, alleen voor specifieke taken. Voor het oplossen van wiskundige problemen zijn ze als wormgaten voor ruimtereizen: ze kunnen reizigers niet overal naartoe voeren. Maar als ze een verbinding maken, gaat dat supersnel.

Stabiliteit van qubits noodzakelijk

De bijzondere kenmerken van kwantumcomputing leiden tot grote technische uitdagingen. Cruciaal bij kwantumverwerking is dat de toestanden van de qubits en de verstrengelingen tussen die qubits lang genoeg in stand worden gehouden om de voor een algoritme vereiste rekenstappen uit te voeren. Zelfs de kleinste verstoring kan een qubit doen instorten. Wat overblijft is een eenvoudig bit dat 0 of 1 is, en dan mislukt de kwantummechanische berekening.

Meerdere kopieën invoerdata nodig

Een fouttolerante kwantumcomputer moet daarom niet alleen goed afgeschermd zijn, maar moet ook beschikken over meerdere kopieën van zijn invoerdata en tussentijdse toestanden, alsmede over een functionerende foutcorrectie. En dat betekent dat er meer qubits nodig zijn.

Hoeveel qubits nodig

Daarom schatten deskundigen dat kwantumcomputers geen 20 of 200 qubits nodig hebben voor zinvolle en betrouwbare computertoepassingen, maar eerder een miljoen. Toegegeven, dat is een slag in de lucht die ook sterk afhangt van de toepassing, het gebruikte algoritme en de stabiliteit van de gebruikte qubits. Maar zolang het aantal beschikbare qubits ver daaronder ligt, zullen kwantumcomputers slechts van academisch nut zijn.

Voor het berekenen van echte problemen is het niet voldoende qubits te vormen, maar die moeten ook stabiel rekenen en tot een aanzienlijk aantal opgeschaald worden. Bovendien moet het mogelijk zijn de verstrengelingen uit te breiden tot zoveel mogelijk qubits. De race om de beste technologie voor qubits is nog lang niet beslist.

Blijf op de hoogte van de nieuwste informatie en tips!

Schrijf je in voor de nieuwsbrief:

1 -Supergeleidende qubits

Verreweg de meeste tegenwoordig gebruikte qubits zijn gebaseerd op supergeleidende lussen. Dat betekent dat de qubits fijne stroompjes zijn in micrometergrote lussen van supergeleidend metaal op een siliciumchip. Om de twee toestanden van een qubit weer te geven, kan de verdeling van de lading of de richting van de stroom in de lus benut worden.

Temperatuur voor twee-toestanden kwantumsystemen

Het grote voordeel van die techniek is dat de supergeleidende qubits in massaproductie kunnen worden vervaardigd met bestaande grootschalige chipfabricage­faciliteiten. Dat kan dus met gebruikmaking van processen die de elektronica-industrie de afgelopen decennia geperfectioneerd heeft. Er zit echter een grote adder onder het gras: qubits ontstaan in de lussen alleen bij extreem lage temperaturen tussen ongeveer 10 en 20 mK (millikelvin). Alleen in dat temperatuurbereik veranderen de circuits in weerstandsloze supergeleiders. Zonder supergeleiding kunnen de lussen geen twee-toestanden kwantumsystemen vormen en in stand houden.

Kwantumtoestanden bestaan slechts kort – decoherentietijd

Ondanks de extreem lage temperaturen bestaan de kwantumtoestanden in supergeleidende qubits slechts korte tijd. De tijd die verstrijkt voordat ze ineenstorten wordt de decoherentietijd genoemd. Die gaat nu langzaam richting de 100 microseconden. Google, IBM en een aantal kleinere bedrijven zetten in op het concept van supergeleidende lussen. Google demonstreerde in 2019 voor het eerst zogenaamde Quantum Supremacy met 53 qubits. Dat wil zeggen dat een kwantumcomputer een (verder zinloze) taak oploste die een enkele conventionele computer in een acceptabele hoeveelheid tijd niet kon doen.

IBM betwistte dat later: een klassieke supercomputer zou met een goede programmering de getoonde berekeningen in een redelijke tijd kunnen uitvoeren. Google zou Quantum Supremacy dus iets te vroeg hebben aangekondigd. Misschien was dat zo – of was IBM gewoon een slechte verliezer.

De ontwikkeling – toekomst

IBM’s grootste kwantumcomputer heeft momenteel 65 qubits. Het bedrijf volgt echter een routekaart om in 2023 een chip met 1000 qubits te introduceren. Tegenwoordig kunnen onderzoekers en ontwikkelaars via de cloud gratis toegang krijgen tot de rekenkracht van kleinere IBM-kwantumcomputers met 5 tot 16 qubits (zie link op de laatste pagina).

Ondanks de aangekondigde groeisnelheden is er één groot probleem met supergeleidende qubits, en dat is hun extreme koeling. In elk geval als het erom gaat enkele duizenden qubits in een koelsysteem te stoppen en ze aan te sturen, zou dat concept zijn grenzen kunnen bereiken vanwege het grote aantal controlelijnen dat dan nodig zou zijn.

De Q-System-One-kwantumcomputer: zonder de ultrasterk koelende cryo-houder is onderaan de chip zichtbaar, die 27 supergeleidende qubits bevat.

2 – Fotonische kwantumcomputing – Fotonen als qubits

Fotonische kwantumcomputing kent die problemen niet. Het maakt gebruik van individuele fotonen als qubits, waarvan de kwantumtoestand kan bestaan uit de aanwezigheid van een foton in één van twee specifieke tijdvensters, of het verwijst naar bepaalde variabele eigenschappen van een foton. Die aanpak wordt bijvoorbeeld gevolgd door het in Toronto gevestigde bedrijf Xanadu. Met dat concept -en eveneens een betwist onderzoek-, demonstreerde een groep Chinese onderzoekers aan de University of Science and Technology of China eind 2020 Quantum Supremacy – de eerstvolgende na de demonstratie van Google.

Kamertemperatuur

Het grootste voordeel van fotonische qubits is dat ze bij kamertemperatuur kunnen worden gebruikt en dat ze hun kwantumtoestand veel langer behouden dan supergeleidende qubits. Hun decoherentietijd bedraagt gewoonlijk enkele milli­seconden, maar kan onder ideale omstandigheden zelfs enkele uren bedragen.

Dat maakt fotonische kwantumcomputing veel goedkoper en makkelijker te hanteren. Die systemen hebben echter ook een groot nadeel, ze nemen namelijk al snel veel ruimte in beslag ­omdat ze, afhankelijk van het aantal benodigde qubits en hun verstrengelingen, speciaal moeten worden opgebouwd uit lasers en afzonderlijke optische componenten. De kwantumcomputeropstelling van de ­Chinese onderzoekers nam een flink tafelblad in ­beslag.

Ontwikkelaars van het bedrijf PsiQuantum be­weren echter dat ze het ruimteprobleem van foto­nische kwantumcomputers onder controle hebben en een oplossing hebben gevonden om tot één miljoen qubits aan elkaar te koppelen. Hoe ze dat precies willen bereiken, weet niemand behalve zijzelf. Niettemin is fotonische kwantumcomputing een concept dat de moeite waard is om in de gaten te ­houden.

53 van de 54 supergeleidende qubits op de Sycamore-chip voerden in 200 seconden berekeningen uit, waarvoor de krachtigste conventionele supercomputers vele jaren
of zelfs millennia nodig zouden hebben.

3 – Ionenvallen in vacuüm – manipulatie met laser

Qubits in ionenvallen bestaan uit afzonderlijke atomen, meestal met een elektronentekort. Door hun ­lading kunnen die ionen worden vastgehouden in elektromagnetische velden in een vacuüm. Met behulp van een laserstraal is het mogelijk ze gericht te manipuleren en met elkaar te verstrengelen.

Voordelen ionenvallen

Qua grootte zijn ionenvallen vergelijkbaar met microchips met supergeleidende qubits. Ionen­vallen hebben eveneens lage temperaturen nodig, maar zijn in elk geval bestand tegen een paar graden Kelvin. Dat lijkt niet veel, maar het is een orde van grootte beter dan wat supergeleidende qubits vereisen. Het koelen van de ionenvallen gebeurt eveneens met een laserstraal.

De grootste speler op dat gebied is het conglomeraat Honeywell, terwijl de start-up IonQ dezelfde aanpak volgt. Bovendien domineert dat concept voor kwantumcomputing in de academische wereld en wordt er onderzoek naar gedaan aan tal van universiteiten –bijvoorbeeld in Innsbruck (zie het kader ‘Kwantumcomputer in 19-inch racks’).

Nadelen ionenvallen

De ionenvaltechniek heeft voordelen door de lange decoherentietijd, die makkelijk enkele minuten kan bedragen. Bovendien kunnen de ion-qubits goed verstrengeld worden met veel buren. Maar het werken met ionenvallen brengt ook nadelen met zich mee. Ze reageren vooral trager dan supergeleidende en fotonische qubits, en het is ook moeilijker om een grote hoeveelheid ionenvallen op een chip te realiseren. Tot dusver zijn ze er echter in geslaagd supergeleidende qubitsystemen bij te benen.

‘ Kwantumvolume’  – meeteenheid

Honeywell beweerde in maart van dit jaar zelfs ‘s werelds krachtigste kwantumcomputer te hebben gebouwd – gemeten naar ‘kwantumvolume’. Dat is een maatstaf die oorspronkelijk door IBM is geïntroduceerd om de prestaties van een kwantum­computer te beschrijven. Die maatstaf heeft niet alleen betrekking op het aantal qubits, maar omvat ook hun foutenpercentage, de verstrengelingen die tussen de qubits mogelijk zijn, en de mate waarin ­verstrengelingen en zelfs individuele qubits met elkaar interfereren (crosstalk of overspraak).

Honeywell heeft voor haar H1-model met tien qubits volgens die maatstaf een kwantumvolume van 512 berekend. IBM heeft tot dusverre alleen een kwantum­volume van 64 geclaimd – met een 27-qubit systeem. Honeywell heeft intussen aangekondigd dat het zijn kwantumcomputermiddelen volgend jaar via de cloud beschikbaar zal stellen, net als IBM.

Bij het laatste model van IonQ zitten 32 ionen op een rij in een ionenval. Volgens hun routekaart willen de ambitieuze ontwikkelaars ervan in 2025 Quantum Supremacy bereiken en in 2028 serieuze problemen kunnen oplossen met hun kwantumcomputers.

Een Intel-wafer vormt de infrastructuur voor spin-qubits, waar wetenschappers aan de TU Delft onderzoek naar doen.

4 – Topologische kwantumcomputing

Topologische kwantumcomputing is de wildcard. Er bestaat nog geen werkende computer met die technologie, maar het idee is fascinerend: topologische kwantumcomputers slaan informatie op in de eigenschappen van ‘quasideeltjes’, patronen in fysische deeltjesstructuren die zich gedragen als massaloze elementaire deeltjes. Het mooie aan die quasi­deeltjes is dat hun eigenschappen vooral fysisch beschermd worden, waardoor de qubits die ermee zijn gebouwd robuust zijn tegen decoherentie.

Volgens onderzoekers van Microsoft, die werken aan de fundamenten van een topologische kwantumcomputer, zijn de lage foutmarge van de qubits en hun weerstand tegen omgevingsruis bijzonder overtuigend. Ze hopen ook de vereiste structuren snel te kunnen opschalen. In 2018 verkondigde Julie Love, directeur van Microsofts kwantumcomputing-bedrijfstak, aan de BBC dat het bedrijf in slechts vijf jaar een kwantumcomputer zou voltooien die relevant is voor commerciële toepassingen.

De plannen van Micro­soft kregen in februari van dit jaar echter een tegenslag te verwerken toen de onderzoeksafdeling een publicatie moest intrekken. Daarin hadden de onderzoekers concrete experimenten met quasideeltjes beschreven die ze wilden gebruiken om hun ­eigen kwantumcomputer te bouwen. De aankondiging van een commercieel levensvatbaar model voor 2023 lijkt dus uiterst twijfelachtig.

5 & 6 – Outsiders – nanostructuren & koolstofkristalroosters

Er wordt veel onderzoek gedaan naar kwantum­computers. Zo startte de EU in 2018 het ambitieuze, 10-jarige Quantum Flagship-programma van één miljard euro om dit te stimuleren. Naast de hierboven genoemde benaderingen, die veel aandacht krijgen, zijn er nog twee andere die niet genegeerd mogen worden.

• De eerste is qubits gemaakt van nanostructuren in halfgeleiders. Die kunnen op soortgelijke wijze worden gerealiseerd als de supergeleidende qubits op microchips, maar de individuele qubit is slechts het resultaat van de lading van één enkel elektron of van zijn elektronspin.
  Die aanpak wordt momenteel gevolgd door onderzoekers aan de TU Delft met steun van chipfabrikant Intel. Het voordeel van die ­techniek is dat ook daar niet de extreem lage temperaturen van supergeleidende qubits voor nodig zijn, maar op zijn minst enkele Kelvin kan verdragen.
• De tweede outsidertechniek maakt als qubits gebruik van stikstoftekorten in koolstofkristalroosters, bijvoorbeeld in diamant. Die qubits bestaan dus uit slechts één atoom en kunnen worden gemanipuleerd en uitgelezen bij kamertemperatuur. Die aanpak wordt gevolgd door ontwikkelaars bij Qutech, een spin-off van de TU Delft, door onderzoekers van het MIT (Massachusetts Institute of Technology) en door een Australische start-up genaamd Quantum Brilliance.

Voor die twee technieken zijn nog geen kwantumcomputers gedemonstreerd, maar de technische platforms zijn veelbelovend. En dat is de situatie in 2021: de race om de eerste beperkte kwantumcomputer is in volle gang, maar de wedloop om welk technisch basisconcept ten grondslag zal liggen aan de universele kwantumcomputers van de toekomst, ligt nog volledig open.

(Deze informatie is afkomstig uit het artikel van Sabine Hossenfelderen Marco den Teuling, en verscheen eerder in c’t 11, 2021, p70)