Denkwerk: De nieuwste ontwikkelingen in kwantumcomputers

Koen Vervloesem

Kwantumcomputers spreken sterk tot de verbeelding, omdat ze in principe heel wat moeilijke problemen efficiënter kunnen oplossen dan onze huidige computers. Bij een kwantumcomputer maakt men gebruik van de bijzondere eigenschappen van kleine deeltjes om kwantumbits (qubits) te creëren. Naar analogie met een bit dat zich in de toestand 0 of 1 kan bevinden, kan een qubit zich in de toestanden |0> en |1> en alle lineaire combinaties daarvan bevinden. Zo’n lineaire combinatie noemt men een superpositie: a|0> + b|1>, waarbij de coëfficiënten a en b willekeurige getallen zijn. Zo zijn er toestanden mogelijk van 70% |0> en 30% |1>, of 10% |0> en 90% |1>. Men zegt wel eens dat het qubit zich dan tegelijk in toestand |0> en |1> bevindt. 

	De bol van Bloch is een meetkundige manier om qubits voor te stellen (bron: Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0)

Als we nu twee qubits tegelijk bekijken, dan zijn de basistoestanden |00>, |01>, |10> en |11>. Maar terwijl een klassiek koppel van twee bits zich enkel in één van zijn vier toestanden tegelijk kan bevinden, kan een koppel qubits ook bestaan in een superpositie van deze vier basistoestanden. De vier toestanden zijn dan allemaal tegelijk opgeslagen in het kwantumregister van twee qubits. Meer in het algemeen kunnen we zeggen dat de hoeveelheid informatie in n qubits exponentieel met n stijgt (namelijk 2^n), terwijl dat bij klassieke bits slechts lineair is (namelijk n).

REKENEN MET QUBITS 
Het leuke is: met het juiste algoritme voeren we in een kwantumcomputer een berekening op al die verschillende toestanden tegelijk uit. Elke keer dat we een qubit toevoegen, wordt de kwantumcomputer bovendien dubbel zo snel. Vandaar dus de vaak gehoorde kreet dat kwantumcomputers exponentieel sneller zijn dan klassieke computers, al moet je dit wel met een korrel zout nemen: dit geldt alleen voor enkele specifieke berekeningen, zoals het factoriseren van getallen. Toevallig is dat juist een uiterst interessante berekening waarop de veiligheid van allerlei encryptiesystemen is gebaseerd. 
Maar voorlopig blijft een praktische kwantumcomputer nog toekomstmuziek. Talloze onderzoekers in de hele wereld proberen allerlei aanpakken uit om kwantumcomputers te bouwen.

Met deze opstelling werd in 2018 het bestaan van de Majoranaquasideeltjes bewezen. Dacht men (bron: QuTech)

MAJORANA 
In het voorjaar van 2012 kondigden natuurkundige Leo Kouwenhoven en zijn team van de TU Delft aan dat ze een Majorana­quasideeltje konden maken. Het was een samenwerking met de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie en met financiering door Microsoft. Dit leverde de bouwsteen op van een nieuwe manier om kwantumcomputers te maken. De onderzoekers verwachtten dat die manier stabieler zou zijn dan andere methodes. 
In 2013 richtte de Nederlandse overheid het onderzoekscentrum QuTech (http://qutech.nl) in Delft op, met als bedoeling om een brug te vormen tussen het bestaande onderzoek naar kwantumcomputers en de Nederlandse hightechindustrie. Tot de partners behoren onder andere TNO (Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek) en Microsoft. Aan het hoofd ervan kwam professor Leo Kouwenhoven van de TU Delft. In 2015 voegde ook Intel zich bij het project met een investering van 45 miljoen euro in het onderzoekscentrum. 

BEWEZEN, OF NIET? 
Die eerste experimenten om Majorana­quasideeltjes te creëren, leverden heel wat ruis in de metingen op: dat was nog niet echt een bewijs. Tegen 2018 hadden de onderzoekers hun techniek echter geperfectioneerd en voerden ze een experiment uit met een overtuigend bewijs van het bestaan van het Majorana­quasideeltje. Het leverde hen een publicatie op in Nature: ‘Quantized Majorana conductance’ (https://www.nature.com/articles/nature26142) en ze droomden er al van om qubits op basis van de deeltjes te maken. De ruwe data van hun onderzoek gaven ze vrij. Maar in april 2020 publiceerden de onderzoekers een waarschuwing in Nature. Ze waren op problemen gewezen en herhalingen van het originele experiment leverden niet altijd hetzelfde resultaat op, waardoor ze zelf twijfels gekregen hadden over hun conclusie. Ze zouden potentiële problemen gevonden hebben met de manier waarop de ruwe data waren verwerkt.

Het artikel in Nature met het bewijs voor het bestaan van Majoranaquasideeltjes werd ingetrokken

TERUG NAAR AF 
Daarop vroeg de TU Delft aan onafhankelijke internationale experts om hun opinie over de publicatie van 2018 te geven. Hun conclusie (https://zenodo.org/record/4545812#.YEZGaS2iFc9) was dat de auteurs data hadden geselecteerd die het resultaat ondersteunden dat ze zochten en data die twijfels boden over de conclusies, hadden weggelaten. Ze vermoedden dat de onderzoekers dat niet met opzet hadden gedaan, maar in hun enthousiasme te veel aandacht hadden besteed aan de gewenste uitkomst. In maart 2021 trokken de onderzoekers hun publicatie in Nature in. 
Dat is ook jammer voor Microsoft, dat voor zijn ontwikkeling van kwantumcomputers volledig gokte op de Majorana­quasideeltjes van QuTech. Microsoft doet al sinds 2005 onderzoek naar topologische kwantumcomputers, die met Majorana­quasideeltjes te implementeren zijn. Het voordeel van die aanpak is dat die goed schaalt en stabiel is onder invloeden van buitenaf. Leo Kouwenhoven werkt sinds 2016 bij Microsoft om een topologische kwantumcomputer op basis van zijn onderzoek te bouwen, maar die lijkt nu verder weg dan ooit. 

SUPERGELEIDING 
Maar de Majorana­quasideeltjes zijn heus niet de enige bouwstenen waarmee we kwantumcomputers kunnen bouwen. Een techniek die al volwassener is, zijn supergeleidende qubits. Ze zijn (in termen van kwantumcomputers) relatief gemakkelijk te maken, omdat ze zo groot zijn. Deze qubits zijn gemaakt uit materiaal dat supergeleidend wordt als het tot vlak boven het absolute nulpunt (­273,15 graden Celsius) wordt afgekoeld. Op dat moment gedragen de elektronen in het materiaal zich niet meer als losse deeltjes, maar begint het geheel te oscilleren met een van twee verschillende frequenties. Die frequenties stellen de toestanden van een qubit voor. 
Onder andere Google en IBM bouwen kwantumcomputers met supergeleidende qubits. In 2019 publiceerde Google een paper in Nature (https://www.nature.com/articles/s41586­-019-­1666-­5) over zijn 53­qubitcomputer Sycamore. Google beschreef een taak die zijn kwantumcomputer in 200 seconden kon uitrekenen, maar waarvoor een state­of­the­art supercomputer tienduizend jaar zou nodig hebben.

De Sycamore-chip van Google is een 53-qubitprocessor (bron: Google)

QUBITS OPSCHALEN 
Ook IBM bouwt zijn kwantumcomputers op basis van supergeleidende qubits. Het biedt al commerciële kwantumcomputers aan voor klanten met diepe zakken. Die kunnen de 27­qubit Falcon­processor installeren of de 65­qubit Hummingbird­processor. Tegen het einde van 2023 zouden er 127­qubit Eagle­processoren beschikbaar moeten zijn. Daarna ligt zelfs een 1000­qubit kwantumcomputer in het verschiet. Supergeleidende qubits lijken nu dus de aanpak met de meeste vooruitzichten, maar ze zijn niet zonder problemen. Zo is het de vraag of we kwantumcomputers met deze technologie kunnen blijven opschalen en of ze stabiel blijven. Elk kwantumsysteem heeft namelijk de neiging om zijn kwantumeigenschappen te verliezen door de onvermijdelijke interactie met de omgeving. Dit noemt men decoherentie. Het is dus heel goed mogelijk dat men perfect kleine supergeleidende kwantumcomputers kan bouwen, maar dat grotere computers in de praktijk onmogelijk zijn omdat er te snel decoherentie optreedt en we er dus niet genoeg berekeningen mee kunnen uitvoeren. 

HALFGELEIDERTECHNOLOGIE 
Het Delftse QuTech heeft niet alleen op de Majorana­quasideeltjes gegokt: er zijn onderzoekslijnen met verschillende technologieën. Een van die onderzoekslijnen focust op qubits gemaakt met klassieke halfgeleidertechnologie. Dit onderzoek is begonnen toen Menno Veldhorst in 2015 in een publicatie bewees dat je met silicium een 2­qubitsysteem kunt maken. Het voordeel van deze aanpak is dat we weten dat klassieke transistoren goed schalen: voor chipfabrieken zijn chips met miljarden transistoren al heel normaal. Maar de stap tussen theorie en praktijk heeft nog even geduurd. Daarvoor was een overstap naar germanium voor de qubits nodig, met silicium als substraat. In 2019 had QuTech op deze manier zijn eerste halfgeleiderqubit gemaakt, vorig jaar een systeem met twee qubits en ondertussen al vier qubits. De hoop is dat de halfgeleidertechnologie zal helpen om dit type kwantumcomputer te doen opschalen, maar er zullen nog heel wat fundamentele problemen opgelost moeten worden. 

 

QUANTUM ANNEALING
Een buitenbeentje is D­Wave, dat zogenoemde supergeleidende adiabatische kwantumoptimalisatie-processors maakt. Het gaat hier in tegenstelling tot de andere systemen in dit artikel niet om computers met universele kwantumpoorten die talloze kwantumalgoritmes  (https://quantumalgorithmzoo.org) kunnen uitvoeren. De processoren van D­Wave zijn speciaal ontwikkeld voor quantum annealing, een methode om specifieke optimalisatieproblemen op te lossen. 
Qubits die quantum annealing uitvoeren, moeten aan veel lagere eisen voldoen op het gebied van stabiliteit. Daarom zie je bij D­Wave heel wat indrukwekkender cijfers dan bij concurrenten. In 2015 had het bedrijf al een kwantumcomputer met meer dan 1000 qubits geïnstalleerd bij NASA en vorig jaar lanceerde het zijn systeem met meer dan 5000 qubits. Onder andere autobouwer Volkswagen maakt gebruik van de technologie om zijn autoproductie te optimaliseren. Maar de kwantum-computers van D­Wave zijn maar in een heel specifieke klasse van rekenproblemen in te zetten. 

DE TOEKOMST? 
Er bestaan tientallen technologieën om kwantumcomputers te realiseren. Welk type het zal halen, valt moeilijk te zeggen. Quantum annealing wordt nu al ingezet, maar is slechts voor een beperkte set van toepassingen bruikbaar. De toekomst van topologische kwantumcomputers is onzeker nu onduidelijk is of we wel Majorana­quasideeltjes kunnen creëren. En er lijkt vooruitgang te zijn in supergeleidende qubits, maar de vraag is tot hoe ver we dat kunnen schalen. Misschien kan dat wel met halfgeleiderqubits. Of wie weet zorgt een van de vele andere technologieën die we hier niet vernoemd hebben, wel voor een doorbraak. Er zal dus nog veel denkwerk nodig zijn.