De strijd om de beste qubit

Eind januari lieten onderzoekers van het Delftse QuTech en Microsoft weten dat ze toch niet zeker waren dat ze majoranadeeltjes hadden waargenomen. Ze trokken hun Nature-publicatie hierover terug, een tegenslag voor de Delftse onderzoekers en Microsoft. Dat de toekomst van de quantumcomputer nu onzeker is, zoals Bert Wagendorp schreef in zijn column in de Volkskrant, is echter te pessimistisch.

Majorana’s zouden, als ze inderdaad bestaan, gebruikt kunnen worden als qubits in toekomstige quantumcomputers. Deze topologische qubittechnologie, waartoe de majorana’s behoren, is niet de enige technologie waaraan gewerkt wordt. Het is zelfs niet de meest vergevorderde of veelbelovende. De race naar een nuttige quantumcomputer die praktische problemen kan oplossen die buiten het bereik van een klassieke computer liggen, is in volle gang. “We weten nog niet welke technologie de race gaat winnen”, zegt Richard Versluis, quantumtechnologie-onderzoeker bij TNO. “Daarom zetten we in op verschillende paarden.”

De laatste jaren pompen steeds meer grote techbedrijven, zoals Microsoft, IBM en Google, geld in quantumonderzoek. De eerste resultaten daarvan worden zichtbaar. Google claimde eind 2019 quantum supremacy met zijn quantumprocessor Sycamore met 53 qubits. De processor zou in tweehonderd seconden een berekening uitgevoerd hebben waar de Summit-supercomputer (pieksnelheid: 200 petaflops) tienduizend jaar over doet. In december 2020 publiceerden Chinese onderzoekers een fotonisch quantumsysteem dat in enkele minuten een berekening uitvoerde waarover de Chinese Sunway TaihuLight supercomputer (pieksnelheid: 125 petaflops) ruim twee miljard jaar zou doen. Nuttig zijn beide berekeningen helaas niet.

Fotonische Chinese quantumcomputer — Foto van Jiuzhang, prototype van de op fotonen gebaseerde Chinese quantumcomputer. Bron: Global Times

De prestaties maken wel duidelijk dat quantumtechnologie het academische lab aan het ontgroeien is. IBM Quantum Experience biedt bijvoorbeeld via internet toegang tot een quantumprocessor aan. En quantumstart-ups schieten als paddenstoelen uit de grond. Zo heeft het Californische PsiQuantum bijna een kwart miljard dollar opgehaald met de belofte van fotonische qubits. Een product heeft het nog niet.

Die interesse komt voort uit de belofte van ongekende rekenkracht. Het is niet zo dat elke taak exponentieel sneller draait op een quantumsysteem. Wel zijn bepaalde problemen en berekeningen, die in een slim quantumalgoritme gegoten kunnen worden, ineens binnen handbereik, terwijl de huidige supercomputers er duizenden of miljarden jaren over zouden doen. Dit geldt bijvoorbeeld voor optimalisatievraagstukken of voor het ontwikkelen van nieuwe materialen of medicijnen. Hierover is meer te lezen in het artikel De race naar een quantumcomputer. Hoe het ook alweer zat met de werking van quantumcomputers en qubits die een combinatie van 0 en 1 kunnen zijn, hebben we eerder opgeschreven in Kwantumcomputers komen eraan.

Opvallend aan de twee quantumsupremacy-claims, vanwege de nare bijklank van 'supremacy' tegenwoordig ook 'quantum advantage' genoemd, is dat ze gebruikmaken van verschillende technieken. Googles Sycamore gebruikt supergeleidende circuitjes als qubits en het Chinese quantumsysteem werkt met fotonen. Daarnaast zijn er nog tal van andere qubits in ontwikkeling. Alleen al in Nederland wordt aan een tiental verschillende technieken gewerkt. We spraken met onderzoekers om te horen welke qubits voorlopen in de race en welke de drijvende kracht kunnen worden achter de eerste nuttige quantumcomputer. "Veel natuurkundekennis van de afgelopen honderd jaar wordt nu van stal gehaald om de quantumcomputers vooruit te helpen", zegt Kareljan Schoutens, hoogleraar bij het Nederlandse onderzoekscentrum voor quantumsoftware QuSoft.

De ideale qubit

In 2000 publiceerde de theoretische natuurkundige David DiVincenzo een artikel met vijf criteria waaraan een systeem moet voldoen om te functioneren als een qubit in een quantumcomputer, vertelt Anne-Marije Zwerver, promovendus bij QuTech. Ten eerste heb je een systeem nodig waarin je twee quantumtoestanden kunt definiëren, de 1 en 0, en dat je kunt opschalen naar een flink aantal qubits. Verder moet je, om de quantumberekeningen te doen, input kunnen klaarzetten, bewerkingen kunnen uitvoeren met quantumgates en de resultaten kunnen uitlezen. Dit alles moet met voldoende nauwkeurigheid lukken. Ten slotte moeten qubits lang genoeg in een quantumtoestand blijven om er berekeningen mee te doen.

"Belangrijker dan die levensduur, de zogeheten coherentietijd, is de kwaliteit van de qubit", zegt Zwerver. "Dat is een maat van het aantal operaties die je kunt uitvoeren binnen de coherentietijd. Dat verschilt per techniek. Sommige qubits hebben een lange coherentietijd, maar daar heb je weinig aan als het ook lang duurt om er een enkele operatie mee uit te voeren."

Aan deze criteria voldoen is lastig. Qubits zijn veel fragieler dan gewone bits. Verstorende omgevingsfactoren kunnen gemakkelijk tot gevolg hebben dat je je quantumtoestand kwijtraakt. Bovendien verpest je de quantumtoestand zodra je een qubit 'bekijkt'. Je kunt qubits daarom niet kopiëren. Een individuele qubit controleren en corrigeren, zoals wel gebeurt bij DRAM-bits bijvoorbeeld, is evenmin mogelijk.

D-Wave Advantage — Advantage Quantum Processing Unit van D-wave's Advantage-systeem voor bedrijven

Supergeleidende circuitjes en opgesloten atomen

"De qubittechnologie die op dit moment het verst gevorderd is, zijn de supergeleidende qubits", vertelt Richard Versluis. "IBM en Google gebruiken deze qubits al langer, net als de kleinere techbedrijven Rigetti Computing en D-wave." Het succes van deze technologie heeft volgens Versluis te maken met het grote formaat van de qubits. "Het zijn elektrische circuitjes van enkele honderden micrometers. Dat is gigantisch in de wereld van transistoren." Daardoor zijn ze gemakkelijker te maken en te controleren.

Er zijn verschillende soorten supergeleidende qubits, die in detail van elkaar verschillen. Ze zijn echter allemaal gemaakt van materialen, zoals aluminium, die supergeleidend worden als je ze afkoelt tot vlak boven het absolute nulpunt (-273,15°C). In een supergeleidend circuitje gedragen elektronen zich niet meer als losse deeltjes, maar vormen ze een soort condensaat, dat je als een geheel kunt zien. Als je dit elektronencondensaat een elektromagnetisch zetje geeft, gaat het heen en weer oscilleren in het materiaal. Deze oscillatie kan twee verschillende frequenties hebben, die de twee quantumtoestanden van de qubit vertegenwoordigen.

"Ik denk dat supergeleidende qubits nog lang in de race zullen zijn", zegt Versluis. "Er zijn nu al systemen met enkele tientallen van deze qubits en er zijn plannen om het op te schalen naar honderden en misschien zelfs duizenden. Bovendien hebben ze een hoge fidelity als je er berekeningen mee doet."

"Toch denk ik dat ze het niet gaan worden", zegt Servaas Kokkelmans, onderzoeker bij de TU Eindhoven en wetenschappelijk directeur van het Center for Quantum Materials and Technology Eindhoven, of QT/e. "Ik zie op termijn problemen met hun schaalbaarheid en coherentietijd. Supergeleidende qubits zijn nu het beste platform, maar dat kan over vijf jaar anders zijn."

Een veelbelovende technologie die het bijna net zo goed doet als de supergeleidende qubits, zijn de trapped-ionqubits. "Volgens mij lopen deze qubits, met de supergeleidende qubits, net wat voor op de andere", zegt Versluis. De trapped ions bestaan uit atomen waarvan ionen gemaakt zijn door er een elektron af te strippen. Die ionen worden ingevangen met behulp van elektromagnetische velden. De verschillende energietoestanden waarin een ion kan verkeren, dienen als de qubittoestanden.

"Ionen waren de eerste qubits waarmee rond 1990 werd gedemonstreerd dat quantuminformatieverwerking mogelijk is en dat je een simpele quantumgate kunt bouwen", vertelt hoogleraar Pepijn Pinkse van de Universiteit Twente.

Op dit moment zijn de ionen erg succesvol. Het Amerikaanse bedrijf Ionq presenteerde eind vorig jaar een quantumprocessor met 32 trapped-ionqubits, gemaakt van ytterbiumatomen. En ook Honeywell werkt aan deze qubits. "Het voordeel is dat ze heel stabiel zijn", zegt Kareljan Schoutens. "En de ionen, die gerangschikt zijn in een lineaire keten, kunnen allemaal met elkaar 'praten'. Daardoor werken ze efficiënter dan bijvoorbeeld supergeleidende qubits die alleen met hun directe buur kunnen wisselwerken. Bovendien hebben trapped ions goede specificaties. Hun fidelities voor het initialiseren, voor de quantumgates en voor het uitlezen zijn hoog."

De verwachting is echter dat ook trapped ions tegen een schalingsprobleem aanlopen. Pinkse: "Hoe meer ionen je op een rijtje zet, hoe moeilijker het is om het geheel goed te laten werken." Er wordt wel gekeken naar tweedimensionale ionstructuren in plaats van rijtjes, of het optisch koppelen van kleine clusters ionen, maar die technieken moet zich nog bewijzen.

Rooster van ultrakoude Rydberg-atomen, waargenomen in lab

Iets wat lijkt op de trapped ions, zijn koude atomen, waar Servaas Kokkelmans bij de TU/e aan werkt. Hierbij wordt gebruikgemaakt van atoomovergangen, waarbij een elektron in een atoom van positie verandert. "In samenwerking met collega’s aan de Universiteit van Amsterdam werken wij met rubidium- en strontiumatomen, die we in vacuüm afkoelen tot enkele microkelvin en vervolgens vangen in een optische pincet van laserlicht", vertelt Kokkelmans. "We maken een rooster van deze pincetjes met in elke één atoom. Dit rooster is onze quantumprocessor. Met laserpulsjes kun je dan atoomovergangen bewerkstelligen, dat zijn dan gate-operaties.”

Het voordeel van atomen is dat ze identiek zijn aan elkaar, een relatief lange coherentietijd hebben van enkele microseconden tot milliseconden en gemakkelijker op te schalen zijn dan ionen. Het is wel lastiger om atomen met elkaar te laten wisselwerken. Dit lukt de laatste jaren beter door zogeheten rydbergatomen te gebruiken. Dit zijn atomen waarbij een van de elektronen zich ver bij de atoomkern vandaan bevindt. Dankzij dat elektron kunnen rydbergatomen met hun buren wisselwerken. Kokkelmans: “Koude atomen lopen nog niet vooraan in de race. Ze moeten nog gaan pieken, maar dat zie ik binnenkort wel gebeuren, omdat er wereldwijd aan wordt gewerkt door onderzoeksinstellingen en bedrijven, zoals het Amerikaanse Atom Computing."

Spinnende elektronen en flitsende fotonen

Een andere qubittechnologie waar in Delft aan gewerkt wordt, zijn spinqubits. Hierbij worden quantumfysische spintoestanden van bijvoorbeeld elektronen gebruikt. Elektronen kunnen zich in een spin up- of spin down-toestand bevinden. Om deze eigenschap te gebruiken als een qubit, moet je elektronen vangen. Dat kan bijvoorbeeld met een quantumdot die dienstdoet als een kooitje voor een elektron. “Het voordeel is dat deze qubits klein zijn, waardoor er in theorie veel van op een enkele chip passen. Daarbij hebben ze een relatief lange coherentietijd, in de orde van milliseconden”, zegt Anne-Marije Zwerver. “Daarnaast worden ze gemaakt met halfgeleiders, wat betekent dat we voordeel kunnen hebben van de bestaande halfgeleiderindustrie. Het is ons bijvoorbeeld onlangs gelukt om een qubit te maken op een chip die op Intels productielijn is gefabriceerd.”

Het lastige is dat ook deze qubits een temperatuur van enkele millikelvin tot hooguit enkele kelvin nodig hebben. “Een andere uitdaging is dat je nu nog drie of vier lijnen nodig hebt om ze aan te sturen. Die moeten ook allemaal de koelkast in.” Dat is beduidend meer dan de drain, de source en het gatesignaal dat transistors nodig hebben. Delftse onderzoekers die samenwerken met Intel, kunnen op dit moment quantumsysteempjes tot zes van deze qubits maken.

Een andere spinqubittechnologie waar in Delft aan wordt gewerkt, zijn zogeheten NV-centers in diamant. Dit is de combinatie van een stikstofatoom en een gat in een diamantrooster. In deze onregelmatigheid zijn elektronen gevangen waarvan de gezamelijke spin dienstdoet als qubit. “De diamant werkt als een grote isolatieverpakking, waardoor deze qubits stabiel zijn en een coherentietijd tot een seconde kunnen hebben. Het kan zelfs oplopen tot meer dan een minuut als je de elektronenspin kunt koppelen aan een naburige spin van een koolstofatoomkern”, vertelt Sophie Hermans, promovendus bij QuTech, die in samenwerking met Fujitsu werkt aan NV-centers. “Het nadeel is dat een gate-operatie met zo’n kernspin relatief lang duurt, tot een halve milliseconde.”

Deze qubits zijn geschikt voor quantumcommunicatie omdat ze gekoppeld (verstrengeld) kunnen worden met fotonen die je vervolgens via een glasvezel kunt versturen. Opschalen van deze systemen is lastiger, omdat de diamanten weliswaar kunstmatig gekweekt worden, maar je niet kunt kiezen waar de NV-centers komen en of ze goed aan te sturen zijn. Daarvoor ben je nu grotendeels afhankelijk van toeval. Hermans: “Er wordt wel onderzoek gedaan naar manieren om NV-centers te schrijven, of om met een laserpuls een NV-center op een gewenste plek te creëren.

QuTech NV-center — Foto van de chip met diamant in het midden en microscoopafbeelding van de diamantchip met onder elk koepeltje een klein register qubits. Bron: QuTech

De laatste qubittechnologie die vooraan loopt in de race, zijn fotonen. De tweede quantum-advantageclaim kwam immers van Chinese onderzoekers met een fotonische quantumcomputer. “Zij gebruikten de fotonen strikt genomen niet als qubits”, zegt Pepijn Pinkse, die werkt aan fotonische quantumsystemen. “Ze gebruikten quantumeigenschappen van fotonen, maar het waren geen qubits met (een superpositie van) een 0-en-1-toestand.” Het fotonische systeem, dat bestond uit vijftig fotonen die in honderd lichtbundels door een netwerk van beamsplitters bewogen, kon ook maar één berekening uitvoeren, het zogeheten bosonsamplingprobleem. Om er een ander probleem mee aan te pakken, zou je een compleet nieuwe configuratie moeten maken. Het systeem is dus niet programmeerbaar.

“Maar dat kan wel”, zegt Pinkse. “Geïntegreerde optica is bij uitstek geschikt om complexe, programmeerbare netwerken voor licht te maken”. De uitdaging daarbij is het maken van gates voor fotonen. Dat is lastig omdat ze nauwelijks met elkaar wisselwerken. Pinkse: “Ze gaan dwars door elkaar heen. Daarom bestaan de lightsabers uit Star Wars niet. Om nuttige fotongates te bouwen, heb je een ion of atoom tussen twee spiegels nodig die de wisselwerking faciliteert. Dat is lastig en lukt nog niet op een schaalbare manier. Een CNOT-gate-operatie, het quantumequivalent van een reversible XOR-gate, lukt bijvoorbeeld maar met 25 procent van de fotonen. Gelukkig worden er ook speciale quantumalgoritmes ontwikkeld die zo’n CNOT niet nodig hebben en die wel goed op te schalen zijn.”

Een programmeerbare quantumcomputer bouwen met een flink aantal fotonische qubits is voorlopig nog lastig. Als het lukt, heb je een systeem met stabiele qubits waarmee je bovendien een gedistribueerd netwerk kunt bouwen waar je fotonen tussen heen en weer kunt sturen. Fotonen zijn de enige qubits die je kunt transporteren en ze werken bij kamertemperatuur. “De detectoren zijn wel supergeleidende systemen die tot vlak boven het absolute nulpunt gekoeld worden”, zegt Pinkse. “Ook de bronnen moeten vaak gekoeld worden, maar die technieken zijn goed ontwikkeld en commercieel te verkrijgen.”

Van hybride naar universele quantumcomputers

“Welke qubit voorloopt in de race, verschuift steeds”, zegt Schoutens. “Google claimde als eerste quantumsupremacy met supergeleidende qubits, IonQ beweert dat het met 32 trapped ions the world’s most powerful quantum computer heeft en Chinese onderzoekers presenteerden een doorbraak met hun fotonische quantumsysteem. De spin-qubits zijn weliswaar nog niet zo ver, maar hebben wel de belofte in zich dat ze flink kunnen doorstomen als het op gang komt, doordat ze gebruik kunnen maken van de aanwezige halfgeleiderinfrastructuur. Het is dus op alle fronten spannend.”

Het uiteindelijke doel is een universele quantumcomputer, waarop alle mogelijk quantumberekeningen gedaan kunnen worden, in analogie met Turing completeness (turingvolledigheid) voor klassieke computers.

Zulke universele quantumcomputers, met de benodigde quantumerrorcorrectie, zijn er voorlopig niet. “We zitten nu in het NISQ-tijdperk, van noisy intermediate-scale quantum, een term die is aangedragen door de Amerikaanse natuurkundige John Preskill”, zegt Kokkelmans. “In deze fase heb je quantumapparaten met ruizige qubits die al iets kunnen, maar die nog niet beter zijn dan een klassieke computer.”

Niet-universele quantumcomputers kunnen wel al nut hebben voor specifieke problemen. Hierbij geldt dat verschillende soorten qubits verschillende quantumtoepassingen hebben. “Van klanten van D-wave heb ik gehoord dat ze bepaalde optimalisatieproblemen hebben die nu al sneller lopen op de D-wave-machine dan op klassieke supercomputers”, zegt Versluis.

In Eindhoven wordt bijvoorbeeld gewerkt aan een quantumapparaat dat vooral goed is in het oplossen van problemen uit de quantumchemie, zoals het berekenen van ingewikkelde moleculaire reacties en medicijnenonderzoek. Voor deze specifieke tak van de quantumsport heb je geen universele quantumcomputer nodig. “Wij bouwen hiervoor een hybride quantumcomputer waarin quantumhardware, een soort quantumcoprocessor op basis van atomaire qubits, samenwerkt met een klassieke computer.” Versluis: “Zo’n quantumcoprocessor kan, net zoals een gpu, specifieke taken versnellen.”

Versluis is systeemarchitect van het Nederlandse platform Quantum Inspire, waar nu vijf supergeleidende en twee spinqubits draaien. Via de Nationale Agenda Quantumtechnologie ligt er ook een subsidieaanvraag bij het ministerie van Economische Zaken om Quantum Inspire op te schalen naar meer dan vijftig supergeleidende en spinqubits, voor 2027, en om er meer soorten qubits aan te hangen, zoals NV-centerqubits en de koude atomen die in Eindhoven ontwikkeld worden. Versluis: “Het doel is ook om dit platform in de komende jaren te koppelen aan de supercomputers van SURFsara in Amsterdam, zodat we een deel van de complexe berekeningen die daar uitgevoerd worden op ons quantumplatform kunnen doen, waarna we met die resultaten verder werken op een klassieke supercomputer.”

“De beste manier om te achterhalen welke qubit of qubits uiteindelijk het geschiktst zijn voor een universele quantumcomputer, is door het in de praktijk te proberen”, zegt Kokkelmans. Daar kan iedereen met interesse en wat programmeerkennis bij helpen door een account aan te maken bij Quantum Inspire en daar quantumalgoritmes te testen op de qubits die via dit platform beschikbaar zijn.