Vergeet cloud, distributed computing en generatieve AI, de volgende nieuwe stap in computertechnologie is kwantum. Grote bedrijven als Google, IBM en anderen werken al jaren aan de technologie, maar brachten ze het voorbije jaar in een stroomversnelling.
Zowel academici en universiteitsspin-offs als grote techbedrijven werken aan verschillende technologieën om een ‘full stack’ te bouwen die kwantumcomputers meer toegankelijk maken. De ‘quantum computer’ bestaat namelijk al even, maar is nog niet nuttig, wegens te klein, te instabiel en omdat hij erg gespecialiseerde software nodig heeft.
Wat was quantum computing nu weer
In plaats van traditionele bits en bytes, gebruikt quantum computing qubits als basiscomponent. Die qubits kunnen niet alleen de status nul of een aangeven, maar ook ‘superposed’ of allebei. De technologie wordt gezien als een mogelijk alternatief voor traditionele computing. Een quantum chip met miljoenen qubits en de nodige foutcorrectie zou, als hij op punt staat, onvoorstelbare snelheden kunnen halen in het oplossen van specifieke problemen.
Het verklaart waarom bedrijven als IBM, Google en Microsoft met onderzoek naar de technologie bezig zijn. Afhankelijk van wie je het vraagt, kan het echter nog even duren voor we echt kwantumcomputers zullen zien die op een praktische manier de grote wereldproblemen kunnen oplossen. Jensen Huang, CEO van Nvidia, zei in januari nog dat hij dat pas over twintig jaar verwacht. Dat houdt echter niet tegen dat er het voorbije jaar stappen werden gezet in de ontwikkeling van de tech.
De chips
Het ‘jaar in kwantumdoorbraken’ beginnen we eigenlijk nog net eind 2024, met de Willow chip van Google. Die nieuwe kwantumchip kan in vijf minuten een algoritme oplossen waarover de Frontier supercomputer (op dat moment de snelste supercomputer ter wereld, nvdr.) meer dan 10.000.000.000.000.000 miljard jaar doet. Dat schreef Hartmut Neven, oprichter en hoofd van Google Quantum AI, in een blog.
Microsoft kwam daarop met de nieuwe chip Majorana 1. De techgigant heeft 17 jaar aan het project gewerkt en publiceerde in januari een studie over zijn nieuwe chip in het wetenschappelijke blad Nature. Majorana 1 (genoemd naar de theoretische fysicus Ettore Majorana die de topologische toestand bijna honderd jaar geleden voorspelde) zou minder foutgevoelig zijn en zo ook het potentieel hebben om miljoenen qubits te bevatten. Bij de lancering begin dit jaar waren er dat nog acht.
Microsoft claimt nieuwe doorbraak in quantum computing
In februari publiceerde ook Amazon onderzoek dat het had gevoerd naar een eigen kwantumchip. De Ocelot chip gebruikt een nieuwe aanpak rond foutcorrectie. Als die goed werkt, zou ze een efficiëntere manier zijn om stabiele qubits te maken.
Ook Amazon heeft nu een eigen kwantumchip
Japanse techgigant Fujitsu is dit jaar dan weer begonnen met de ontwikkeling van een kwantumcomputer die meer dan 10.000 qubits moet bevatten. Het toestel zou tegen 2030 klaar moeten zijn. De nieuwe supergeleide kwantumcomputer zal met 250 logische qubits werken en maakt gebruik van Fujitsu’s eigen STAR-architectuur. Dat is een architectuur die het mogelijk moet maken om meer stabiele qubits te bouwen.
Fujitsu wil tegen 2030 een kwantumcomputer met 10.000 qubits bouwen
Foutcorrectie
De woorden ‘met minder fouten’ en ‘stabiele qubits’ zijn al enkele keren gevallen, en dat is niet toevallig. Het bouwen van een stabiele kwantumcomputer is een van de grootste mijlpalen die bereikt moeten worden in de technologie . Een qubit is van nature namelijk bijzonder onstabiel. Omdat de chips erg kleine deeltjes gebruiken voor het aangeven van hun verschillende statussen, zijn ze erg gevoelig voor interferentie. Manieren vinden om op een efficiënte wijze fouten te corrigeren, is dan ook van groot belang voor de technologie.
De genoemde Willow-chip voert foutcorrectie uit door meerdere qubits samen te voegen. Google linkt daarbij qubits in een vierkant, bijvoorbeeld 3×3, aan elkaar die samen een ‘logische qubit’ vormen. Als er dan eentje beïnvloed wordt door de omgeving, dan kan het systeem die staat vergelijken met die van de andere qubits in het vierkant en corrigeren waar nodig.
Het systeem van AWS vermengt dan weer twee verschillende types van qubit hardware om de stabiliteit van de data op die qubits te verbeteren. Het eerste type qubit, de data qubit, moet de gegevens verwerken, en is bestand tegen veel fouten. Het tweede type qubit gaat daarna op zoek naar het specifieke type fouten waarvoor de data qubit nog wel gevoelig is.
Ook andere technieken werden het voorbije jaar bekendgemaakt. Onderzoekers van het Nederlandse QuTech zeiden in maart een belangrijke stap te hebben gezet richting kwantum foutcorrectie. Door ultrazuivere diamanten en geavanceerde meetmethodes te gebruiken, bereikten ze een nauwkeurigheid van meer dan 99,9% in kwantumoperaties. In de toekomst hopen Fujitsu en QuTech dat systeem nog verder op te schalen door het aantal qubits te vergroten. Ze hebben een set quantum gates gebouwd met een foutkans van minder dan 0,1%.
QuTech zet belangrijke stap richting foutcorrectie in kwantumcomputers
Software
Tot zo ver de hardware, maar kan je ook wat met zo’n computer aanvangen? Onderzoekers maakten dit jaar een besturingssysteem voor kwantumcomputers, genaamd QNodeOS. Dat moet het onder meer mogelijk maken om meerdere quantum computers aan elkaar te linken.
Omdat het om software gaat die minder afhankelijk is van pure hardware-coding, kan het besturingssysteem toestellen binnen een kwantumnetwerk beheren, ongeacht het type van qubits die in dat netwerk zitten. In eerste tests linkte het bijvoorbeeld een kwantumcomputer met qubits gemaakt van diamanten met eentje die elektrische atomen gebruikt voor zijn qubits. Het OS zou het ook makkelijker moeten maken om applicaties voor de computers te schrijven en uit te rollen.
Kwantumcomputers krijgen eerste besturingssysteem
Google Quantum AI onthulde dan weer een nieuw algoritme, ‘Quantum Echoes’. Dat heeft op de eigen Willow kwantumprocessor een specifieke taak 13.000 keer sneller uitgevoerd dan ‘s werelds krachtigste klassieke supercomputers. De resultaten, die gepubliceerd zijn in het wetenschappelijke tijdschrift Nature, worden door Google bestempeld als ‘het eerste verifieerbare kwantumvoordeel ooit’. Google Quantum AI bedoelt daarmee dat het de eerste keer zou zijn dat een kwantumprocessor met een aangepast kwantumalgoritme de computationele grenzen van klassieke systemen ver overschrijdt.
Google claimt kwantumdoorbraak met nieuw algoritme dat 13.000 keer sneller is dan supercomputer
Beveiliging
Bij al die vooruitgang rond quantum computing, is het ook belangrijk om de parallelle vooruitgang in encryptie en beveiliging te bekijken. Als kwantumcomputers ooit echt op punt staan, zouden ze namelijk de mogelijkheid hebben om de huidige cryptografie, de versleuteling die al onze huidige communicatie en gevoelige data moet beschermen, te breken.
Daarom zien bedrijven als Orange wel brood in diensten die daar bescherming tegen bieden. Orange Business en Toshiba kondigden in juni aan dat ze in Frankrijk de eerste netwerkdienst aanbieden die bestand moet zijn tegen aanvallen met kwantumcomputers. De dienst voorziet voor zijn (momenteel vrij niche) klanten post-quantum cryptografie, die ook door een sterke kwantumcomputer niet gebroken zou mogen worden. Daarnaast is er ook een Quantum Key Distribution netwerk in de regio rond Parijs. Dit type netwerk maakt gebruik van regels uit de kwantumfysica om data te beschermen tegen bijvoorbeeld meekijken.
Orange Business komt met kwantumveilige netwerkdienst
Met dat soort verbindingen wordt ook in ons land mee geëxperimenteerd. Vorig jaar begon Proximus bijvoorbeeld met testen van een hybride quantum key distributielijn. Ons land heeft ook al even een open kwantumverbinding, aangelegd door het consortium BeQCI. Dat open kwantumnetwerk is het voorbije jaar uitgebreid met enkele ‘nodes’, onder meer naar de ESA-site in Redu en richting Luxemburg.
BeQCI is de Belgische tak van een breder Europees project, de EuroQCI, dat tot doel heeft om een Europees kwantumcommunicatienetwerk te ontwikkelen. Momenteel dient het netwerk vooral voor testen van de nieuwe vorm van communicatie, en wil men het gebruiken om cryptografische oplossingen bouwen die niet gekraakt kunnen worden door een kwantumcomputer. Dat netwerk breidt zich ook uit richting satellieten, zo leerden we dit jaar bij Belnet.
Wie bouwt het volgende internet?
Maar het valt hoe dan ook op dat er in ons land veel academische en overheids-energie gaat naar de technologie. De KU Leuven kwam bijvoorbeeld met een eerste Leerstoel rond kwantumwetenschappen, en in Wallonië opende het cyberbeveiligingscentrum Idelux, met een laboratorium voor kwantumcryptografie.