Hoe ver staat quantum computing? ‘Traditionele compute loopt tegen zijn limieten aan’

Hoe ver staat quantum computing ondertussen, en moet uw organisatie zich daarmee bezig houden?

Berichten over nieuwe doorbraken in kwantumcomputers volgen elkaar steeds sneller op. In februari kondigde Fujitsu nog een partnerschap aan met de Technische Universiteit van Delft in Nederland om samen onderzoek te voeren naar quantum computing. Aan de technologie wordt al enkele jaren gewerkt, maar ze was tot nu toe vooral het terrein van academisch onderzoek en de erg grote techbedrijven, zoals een IBM of Google, die ondertussen kwantumtechnologie in de cloud aanbieden.

Dat steeds meer bedrijven zich daarin mengen heeft een goeie reden: compute. ‘Voor technologieën als AI heb je gigantische hoeveelheden rekenkracht nodig”, zegt Vivek Mahajan, global CTO van Fujitsu, daarover, “En traditionele compute loopt tegen zijn limieten aan. Voor ons is quantum computing daar een mogelijke oplossing voor.’

‘Als je Python kent, zal je quantum ­computers kunnen programmeren’

Hij benadrukt daarmee dat kwantum computers voor bedrijven als Fujitsu alvast niet langer een soort vage toekomstdroom zijn. Er zit een business case achter. ‘Ik geloof dat kwantum een hele grote impact kan hebben op het zakelijke potentieel van Fujitsu en wat ons bedrijf de wereld te bieden heeft,’ zegt Mahajan. ‘Er zijn nog enkele problemen die moeten worden opgelost, maar het potentieel is enorm.’

Dat potentieel zit hem in de manier waarop kwantumcomputers dingen berekenen. In plaats van de traditionele binaire bits die een 0 of 1 aangeven, maakt zo’n computer gebruik van qubits. Die kunnen een staat van 0, 1 of allebei aannemen (‘superposed’ in het Engels). Dat geeft dit type computers een hoop extra mogelijkheden, maar ook een reeks obstakels om te overwinnen.

Utility

‘Quantum computing is nu een niveau aan het bereiken dat we vijftig jaar geleden niet hadden kunnen voorzien,’ zegt Dr. Heike Riel, IBM fellow en hoofd van IBM’s onderzoek naar quantum computing in Europa en Afrika. ‘We zitten nu op het niveau van ‘utility’, waar we quantum computing kunnen gebruiken voor onderzoek en wetenschap, verder dus dan ‘brute force’ klassieke berekeningen, om de grenzen te verlengen van wat we daar kunnen doen,’ legt ze uit.

Om op dit punt te geraken, zijn een hele reeks processen samengekomen. Een volledig nieuwe technologie ontwikkelen vereist werk, en dat begint al bij de hardware. ‘Er zijn sinds het begin een tiental verschillende manieren uitgedokterd om een qubit te maken. Daar zijn er ondertussen veel van afgevallen, omdat ze niet allemaal te schalen zijn’, zegt Koen Bertels, oprichter van de accelerator QBee, die zelf twintig jaar lang professor was aan de TU Delft, met specialisatie in quantum computing.

Een van de bekendere processen draait bijvoorbeeld rond chips met ‘superconducting’ circuits. Dat zijn de toestellen die tot enkele milli-Kelvin boven ‘absolute zero’ moeten worden gekoeld (-273,15 graden Celsius) om goed te werken. Zij waren bij de eersten die het grote publiek te zien kreeg. Start-ups en bedrijven zijn ondertussen ook met andere qubit-technologieën bezig, waaronder quantum dots, en fotonische en topologische toestellen.

‘We werken bij IBM met superconducting qubits, omdat die technologie vandaag het meest geavanceerd is, en voordelen heeft rond schaalbaarheid en snelheid,’ zegt Riel. ‘We zijn die nu aan het opschalen. We werken aan de full stack, dus de qubits, de kwantumprocessoren, de elektronica daarrond, de koelsystemen, de software en de algoritmes, tot de applicaties toe.’ Dat u voor die systemen en de bijhorende koeling een volledig gespecialiseerde ruimte nodig hebt, is ondertussen ook al verleden tijd, legt ze uit. ‘Die systemen zijn de laatste jaren ook sterk gevorderd. We gebruiken nu closed cycle cooling, en zo’n kwantumsysteem kan je in een gewoon datacenter zetten. We hebben ze gebouwd om betrouwbaar en stabiel te zijn voor langdurig gebruik. Ze hebben een datacenter nodig met aangepaste infrastructuur, maar de elektronica is ondertussen geminiaturiseerd zodat ze daar in passen.’

Scaling

Grote probleem is, zoals gezegd, het schalen van zo’n systeem. Dat draait meestal om twee dingen: de hoeveelheid qubits die een chip bevat, en de hoeveelheid ‘gates’. Die quantum gates zijn min 
of meer vergelijkbaar met de ‘logic gates’ in ­traditionele computers (Not, And, Or), zij het met meer unieke functionaliteiten, gebaseerd op kwantumfenomenen. Een belangrijke factor is meer van die qubits en gates op een chip ­krijgen. IBM was in december vorig jaar bijvoorbeeld de eerste om de barrière van 1.000 qubits te door­breken. De Condor chip bevat 1.121 super­conducting qubits.

Maar in zoverre er een race aan de gang is, gebruikt niet iedereen hetzelfde voertuig. In juli vorig jaar kwam Intel bijvoorbeeld uit met zijn eigen quantum chip: Tunnel Falls, een 12-qubit chip die werkt met quantum dots. Dat klinkt heel klein, maar het gaan om een volledig ander systeem, gebouwd op de silicon-technologie waar het bedrijf zich al jaren in specialiseert. De zogeheten ‘hot chip’ werkt bij 1,6 Kelvin. Da’s nog altijd -271 graden Celcius, maar, zo zegt Intel, gezien de extreme temperaturen maken die paar graden een groot verschil. Intel lijkt alvast te hopen dat die technologie beter en sneller schaalbaar is dan die van de concurrentie.

De mijlpaal waar iedereen momenteel naar lijkt te werken is overigens een systeem 100.000 qubits. Op dat moment zou het toestel de grote belangrijke problemen van de wereld moeten kunnen oplossen, vaak in samenwerking met meer klassieke supercomputers.

Schaal is echter niet alles. ‘Bij klassieke computers hebben we een heel kleine foutenmarge. Dat wordt gecorrigeerd zodat niemand dat voelt. In de kwantumwereld kan je echter een fout krijgen op elke honderd of duizend operaties,’ zegt Koen Bertels. Het probleem zit hem onder meer in de relatieve instabiliteit van elementaire deeltjes. Omdat die deeltjes zowel 0, 1 of ‘superposed’ status kunnen aannemen, zijn ze extra gevoelig voor hun omgeving. Die kan ongewild de quantum state van het deeltje beïnvloeden.

De zogeheten ‘quantum error correction’ is dus een van de pistes van onderzoek om een meer praktische kwantumcomputer te bouwen. Onderzoekers hebben het hier over ‘noisy’ quantum computers (NISQ of ‘noisy Intermediate scale quantum computers’), versus ‘fault tolerant’ quantum computers (FTQC). Bij die laatste worden er maatregelen genomen om fouten tegen te gaan.

Hoe gebeurt die foutcorrectie? Kort door de bocht gaat u meerdere qubits aan elkaar linken. Wanneer u bijvoorbeeld drie qubits verbindt, dan moeten ze allemaal dezelfde staat hebben. Als er dan eentje beïnvloed wordt door de omgeving, dan kan het systeem die staat vergelijken met die van de andere twee en corrigeren waar nodig.

De NISQ- en FTQC-systemen worden grotendeels naast elkaar ontwikkeld. Kijken we bijvoorbeeld naar de roadmap van IBM, dan zien we onder die Concord chip met meer dan duizend qubits een andere, met 133. ‘De Heron chip is nieuwe technologie waarin de foutenmarge lager ligt’, legt Heike Riel van IBM uit. “Het aantal qubits zijn dus lager, maar de chips tonen ook veel minder fouten. Ze hebben bovendien een snellere ‘gate time’ waardoor je meer complexe problemen kunt aanpakken.” Heron is onderdeel van een kwantumsysteem dat een modulaire aanpak gebruikt, min of meer vergelijkbaar met een multicore-omgeving in een traditionele computer. ‘Het is een beetje meer complex, maar in principe connecteren we drie van die Herons in een grote chip en daartussen komt een kwantumlink zodat het werkt als één grote kwantumchip.’

De rest van de stack

De hardware verbeteren en verkleinen is één ding, om nuttige dingen met zo’n technologie te doen moeten er ook mensen mee kunnen werken die geen doctoraat in kwantumfysica hebben. Je hebt, simpel gezegd, apps nodig. ‘De software stack moet er voor zorgen dat computerwetenschappers quantum computing kunnen gebruiken zonder dat ze alle fysica moeten kennen waarop die draaien,’ zegt Riel daarover. ‘Dus als je Python kent, zal je quantum computers kunnen programmeren. Een openbron software als Quskit laat je dat bijvoorbeeld al uitproberen.’

‘Veel sectoren gaan op termijn de stap moeten zetten naar kwantummachines’

Met zo’n basis zou het ‘unique selling point’ van kwantumcomputers breder beschikbaar moeten worden: het berekenen van vraagstukken die te complex zijn voor een traditionele computer. Heike Riel geeft het voorbeeld van moleculair onderzoek, waarvoor de benodigde rekenkracht exponentieel groeit naarmate u grotere molecules gaat bekijken. ‘Er zijn ondertussen meerdere industrieën die werken met quantum computing, dus er is duidelijk een opportuniteit. Ze proberen nu te identificeren welke de problemen zijn voor hun specifieke business, en hoe ze daarvoor de juiste algoritmes en workflows in quantum computing kunnen krijgen.’

Veel van de voorbeelden die we momenteel zien gaan over wetenschappelijk onderzoek. Denk dan aan de ontwikkeling van medicijnen, moleculair onderzoek, het voorspellen van tsunami’s, fluid dynamics enzovoort. Dat lijkt voorlopig niche, maar voor Koen Bertels mogen we best veel groter denken. ‘We hebben een visie nodig, want voor chips en transistors die we nu maken zitten we bijna op een nanometer,’ legt hij uit. ‘Als je daaronder gaat zit je in het kwantummechanische universum. Daar gaat alles zich anders gedragen, de wiskunde is anders, daarom is het een revolutie in the making. Maar het is ook revolutie waarvan bedrijven en universiteiten zich bewust moeten zijn. Veel andere domeinen gaan op termijn de stap moeten zetten naar kwantummachines. Alle wetenschappelijke domeinen die computers nodig hebben, en dat zijn er veel, moeten die stap zetten, en daar kunnen ze zich maar beter op voorbereiden.’