Inleiding
Decennialang is kwantumcomputing een theoretische discipline geweest, maar sinds enkele jaren zijn we op een niveau waarin we de theorieën daadwerkelijk kunnen toetsen. Voordat kwantumeffecten echter ook kunnen worden toegepast voor wetenschappelijk onderzoek, moet nog veel worden uitgevonden op het gebied van hard- en software. Daarvoor zijn in Nederland twee instituten opgericht: QuTech, eind 2013 in Delft, en QuSoft, eind 2015 in Amsterdam. Tweakers ging bij beide instituten langs.
QuSoft richt zich vooral op software voor kwantumcomputers, zoals het ontwikkelen van nieuwe protocollen, algoritmes en applicaties. We spraken er met directeur Harry Buhrman, tevens hoofd van de researchgroep Algorithms and Complexity van het Centrum Wiskunde & Informatica en hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam. “Misschien wel de grootste uitdaging is het combineren van disciplines, zoals scheikunde, natuurkunde, wiskunde, informatica en biologie, binnen het vakgebied kwantumcomputing”, zegt Buhrman. “Al die disciplines moeten op de een of andere manier kunnen samenwerken.”
In de biologie zou een kwantumcomputer bijvoorbeeld handig kunnen zijn om celprocessen na te bootsen. Omdat kwantuminformatica zoveel disciplines overstijgt, is een centrum opgericht met de naam QuSoft, te vinden op het Science Park in Amsterdam.
Voor het simuleren van de processen is ook hardware nodig. Die hardware moet gekoeld worden tot bijna het absolute nulpunt van -273,15 graden Celsius om omgevingsinvloeden te elimineren. Om onderzoek naar de hardware te doen, zoals de ontwikkeling van een kwantumcomputer en het kwantuminternet, is in Nederland onder andere QuTech in het leven geroepen.
Bij QuTech in Delft zaten we aan tafel met Koen Bertels, hoofd van het Computer Engineering Laboratory, en Anouschka Versleijen, programmadirecteur van QuTech. Ook kregen we een rondleiding door het QuTech-lab zelf op de Delftse campus. Dat bracht ons onder andere in een van de twee labs van Ronald Hanson, waar onlangs werd bewezen dat kwantumteleportatie van informatie zonder loopholes werkt; de natuur staat correlaties toe die niet zonder kwantumverstrengeling kunnen bestaan.
De ontwikkeling van kwantumsoftware
Een kwantumcomputer is gebaseerd op de wetten van de kwantummechanica. Kwantummechanica zegt onder andere dat deeltjes zich in superpositie kunnen bevinden, kort gezegd in verschillende staten tegelijk. Een klassieke bit kan 0 of 1 zijn. Met twee bits heb je vier mogelijke toestanden: 00, 01, 10 en 11, en met driehonderd bits heb je al 2³⁰⁰ mogelijkheden: meer dan het aantal atomen in het bekende heelal. Het kost enorm veel rekenkracht om daar de juiste mogelijkheid uit te halen. "Met een kwantumcomputer kun je als het ware 2 tot de macht 300 berekeningen tegelijk uitvoeren voor de prijs van één berekening", zegt Buhrman van QuSoft. "Je ziet de uitkomst van maar één berekening. Alle andere berekeningen zijn ineens verdwenen."
Het ontwikkelen van software voor kwantumcomputers is niet gemakkelijk. Volgens Buhrman is het tegenintuïtief om een kwantumprogramma te ontwerpen, omdat je aan de slag moet met dingen die je niet gewend bent. Het onderzoeksprogramma bij QuSoft onderzoekt verschillende onderdelen van de kwantuminformatica, waaronder qubit-applicaties, hoe kwantumsystemen moeten worden getest en gedebugd, kwantumcryptografie en kwantumarchitectuur.
"Een andere toepassing is het simuleren van de natuur om ons heen. De natuur is per slot van rekening kwantummechanisch, zoals een chemische reactie of fotosynthese in planten. Al die processen moet je kwantummechanisch omschrijven. Op een gewone computer wordt dat al snel veel te bewerkelijk. Je moet al die elektronen, als het ware qubitjes, opschrijven en voor een klassieke computer is dat al snel veel te veel. Bij 300 elektronen is het aantal toestanden zoals we eerder zagen 2³⁰⁰: onmogelijk om dat op een gewone computer te simuleren. We verwachten dat dit op een kwantumcomputer wel kan. Zo kunnen we uitvinden hoe bepaalde chemische reacties lopen of hoe bepaalde materialen eruitzien. Het is overigens helemaal niet duidelijk hoe je zo'n programma in elkaar moet zetten, zeker als je ervan uitgaat dat er in de toekomst heel weinig qubits zullen zijn. Je zult dus met weinig qubits zo'n simulatie moeten doen. Dat is een van de projecten waar in de hele wereld aan gewerkt wordt."
"Dat brengt ons bij een andere interessante poot die we bij QuSoft onder handen nemen, namelijk verificatie van kwantumsystemen. Kort gezegd: hoe weet je dat het antwoord van die kwantumcomputer correct is? Je kunt niet meer controleren wat die computer heeft gedaan. Met een paar qubits is het nog wel na te rekenen met een klassieke computer, maar als het er veertig of vijftig worden, zijn andere methoden nodig om aan verificatie te doen. Ook iets wat reusachtig interessant is!"
Toch vragen we ons af hoe dat nu werkt. QuSoft heeft zelf geen kwantumcomputer staan om mee te rekenen. Buhrman grijpt terug naar de jaren zestig en hoe toen over het gedrag van computers gedacht werd, gewoon met pen en papier. "Je hebt kwantumcomputers niet nodig om te programmeren, je hebt ze nodig om te kijken of een programma werkt en om de uitkomst te gebruiken."
Supergeleidend circuit met negen qubits. Foto: Julian Kelly, UCSB
In een lab van Google op de UC Santa Barbara staat een kwantumcomputer met negen qubits van de Martinis Group. Die computer kan gebruikt worden om met kleine algoritmen te bekijken hoe die zich gedragen. Die negen qubits zijn ook nog te simuleren op een gewone computer. Buhrman vindt het wel jammer dat hij niet zelf een kwantumcomputer heeft om mee te spelen, want daar leer je ook van. Hij wijst op een voorbeeld van een programmeertaal met de naam Liquid, die Microsoft onlangs heeft ontwikkeld en waarmee kwantumalgoritmes tot twintig of dertig qubits te testen zijn.
"Uiteindelijk worden die kwantumcomputers weer aangestuurd door klassieke computers. Op het allerhoogste niveau heb je de programmeertaal met daar allemaal operaties tussen die de processen op de chips zelf aansturen in een heel grote ijskast. Dat proces heet quantum architectures. Het samenspel tussen de klassieke en de kwantumcomputer is essentieel. Je kunt systemen zo bouwen dat je meteen fouten corrigeert, terwijl de kwantumcomputer draait. Die correcties gaan direct van de klassieke computer terug naar de kwantumcomputer en die doet dan weer een stapje van de berekening. Sommigen zeggen zelfs dat het grootste deel van de rekentijd van een kwantumcomputer zal opgaan aan foutcorrectie."
Bouwen aan kwantumhardware
Een korte rondleiding door het lab van QuTech op de campus van de TU Delft laat vooral zien dat met wat kunst- en vliegwerk een oud gebouw in te zetten is voor het nieuwste van het nieuwste, al moesten her en der wel wat gaten in de vloer worden geboord.
Die gaten vormen de toegang tot de 'ijskasten' met vloeibaar helium. Hun functie wordt snel duidelijk als we een buis vol met elektronische schakelingen en chips te zien krijgen. Zo'n langgerekt stuk elektronica met aan het eind een kwantumchip is anders onmogelijk in het vloeibare helium te krijgen. Er wordt wat dat betreft letterlijk veel geklust, heel veel geklust.
"Binnen QuTech kunnen qubitchips zelf gemaakt worden in de cleanrooms", vertelt Versleijen. "De chip wordt dan in een houder geplaatst, zodat we dat kunnen structureren. Dan wordt het geheel in een fridge geplaatst, waar het bijna het absolute nulpunt is. Op die lage temperatuur filter je alle omgevingsinvloeden weg en zo kun je de kwantumfenomenen goed isoleren. Dan gebeurt er hopelijk wat we dachten dat er gebeuren zou. Gelukkig kunnen we met de hele set-up hier snel itereren; we kunnen snel onze theorieën omzetten in werkelijkheid."
Al die apparaten zijn er niet voor niets. Bertels: "We werken met individuele atomen die we proberen te verstrengelen. Die superpositie en verstrengeling zijn heel foutgevoelig. Een simpele verstoring kan die toestand beïnvloeden. Dat is het coherentieprobleem. Dat betekent dat als we veel van dergelijke qubits willen gebruiken, zich heel veel fouten kunnen voordoen. Daarom zijn we nu druk bezig met het beschermen van de kwantumtoestand. We noemen dat fault tolerant quantum computing. Er zijn verschillende manieren om dat te doen. We proberen het vanuit de fysische technologie, en we proberen de verstrengeling en superpositie langer in stand te houden, tot microseconden, al zitten we nu nog op nanosecondeniveau."
"Je kunt ook andere technieken gebruiken en daar komen de theoretici in the picture. We gaan de qubit-informatie in verschillende qubits coderen. Dat geeft een goede bescherming tegen veel van die fouten, maar vermenigvuldigt wel het aantal qubits dat we nodig hebben om realistische problemen op te lossen. Dan spreken we makkelijk over honderdduizenden qubits, als het geen miljoenen zijn", zegt Bertels.
Daarmee is het verhaal nog lang niet af. Het gros van de qubits zal worden gebruikt voor codering en niet als dataqubit. "Het probleem is dat theoretici werken met logische qubits", zegt Bertels. "Die redeneren dan in een logische qubit, maar je hebt makkelijk tienduizend qubits nodig om één logische qubit voor te stellen. Om dan tot honderd dataqubits te komen, heb je al honderdmaal die tienduizend nodig of welk getal dat ook moge zijn! Dat is het werkelijke aantal fysieke qubits dat je nodig hebt. En als je dan weet dat de state of the art, hier en elders, rond het getal tien ligt, dan weet je dat we nog wel een weg te gaan hebben vooraleer we ons doel bereiken."
Als conventionele computerarchitect was de eerste impressie van Bertels van QuTech: "Dit gaat nooit werken." De sleutel is volgens hem dat je op een totaal andere manier nadenkt. "Een normale transistor zal zich elke keer op dezelfde manier gedragen. De kwantumcomputer blijft een niet-deterministische machine, een statistische machine. Je zult eenzelfde berekening vaker moeten doen. Van die tien keer zit je misschien vier keer verkeerd en zes keer goed. Je zult dus tien runs moeten draaien. Het is een bijzonder abstract verhaal, contra-intuïtief; niemand kan het verklaren, niemand weet waar die kwantumfenomenen vandaan komen en dat is natuurlijk bijzonder fascinerend."
Op dit moment wordt in Delft geëxperimenteerd met vier verschillende technieken om een kwantumcomputer te bouwen of kwantuminternetcommunicatie mogelijk te maken. Die basistechnieken zijn quantum dots, transmons, Majorana's en nv-centers. Welke wint is nog niet duidelijk, al zijn sommigen iets verder gevorderd, maar het zou Bertels en Verleijen niet verbazen als binnen een paar jaar nog een andere techniek de uiteindelijke winnaar is.
Waar gaat dat allemaal naartoe?
Wanneer hebben we die kwantumcomputer en wat hebben we er dan aan? Die vragen zijn niet zo makkelijk te beantwoorden. Een mogelijke toepassing is bijvoorbeeld veilige communicatie, maar ook het kraken van codes. Misschien duurt het nog wel twintig jaar voordat het kraken van codes ook echt praktisch mogelijk is met een kwantumcomputer, maar dat erover nagedacht moet worden staat buiten kijf, zegt Buhrman. "Stel dat we de kwantumcomputer ontwikkeld hebben zonder dat we goed hebben nagedacht over wat je er nu precies mee kunt doen. En stel dat we er dan pas achtergekomen waren dat je er goed codes mee kunt kraken, dat zou een regelrechte ramp zijn geweest. Al onze beveiliging is in één klap stuk. Nu hebben we al nagedacht over hoe we moeten omgaan met cryptografie."
Wellicht wordt in Delft ook de basis voor het kwantuminternet gelegd. Julia Cramer nam ons nog even mee naar een van de twee labs van Ronald Hanson waar de Bell-test succesvol werd uitgevoerd in een project van promovendus Bas Hensen. "We zijn hier bezig met het internet van de toekomst in het lab van Ronald Hanson. Het is hier gelukt om twee kwantumdeeltjes in twee diamanten met elkaar te verstrengelen en vervolgens hebben we een belangrijke test van de kwantummechanica gedaan, een Bell-test, waarbij voor het eerst is aangetoond dat er geen achterdeurtjes in de theorieën van kwantumverstrengeling zitten", zegt Julia Cramer in een van de twee voor die test gebruikte labs.
Intussen staan we in het pikkedonker, afgezien van wat groene en rode laserstralen die via allerlei spiegeltjes een kwantumdeeltje in diamant controleren om het te verstrengelen met een ander, 1,3 kilometer verderop.
Laseropstelling bij QuTech
Dit experiment is het allereerste experiment dat deze test zonder die achterdeurtjes kon doen. Na de publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Nature werden vlak na Delft soortgelijke experimenten gedaan in Wenen in Oostenrijk en Boulder in de VS.
“Toen ik voor het eerst een kwantumexperiment deed aan het eind van mijn bachelor, was ik verkocht. Het bleek helemaal niet zo ingewikkeld te zijn, al is de kwantummechanica wel heel tegenintuïtief. Wat je met abstracte formules beschrijft, kun je meten in het lab. De formules zijn eigenlijk niet zo ingewikkeld. Het is gewoon heel gaaf!”
Tja, daar kan niemand wat tegen inbrengen natuurlijk. Hoe het ook zij, het onderzoeksveld dat aan het begin van de twintigste eeuw vorm kreeg met behulp van Bohr en Einstein wordt misschien ooit wel net zo normaal op school als de Newtoniaanse natuurkunde die we nu onderwezen krijgen.