Advertentie
analyse

De miljardenrace naar de kwantumcomputer barst nu echt los

Net als Imec in Leuven heeft techbedrijf IBM in het Zwitserse Zürich een opstelling die een eerste aanzet is tot een kwantumcomputer. De 'kroonluchter' lijkt in niets op een traditionele computer. ©CONNIE ZHOU

Kwantumcomputers zijn niet langer sciencefiction: ze komen eraan en de inzet is groot. China en de Amerikaanse bigtechbedrijven investeren miljarden, Frankrijk wil duizenden kwantumingenieurs opleiden. 'De internationale race is losgebarsten. België moet zich bezinnen over welke rol we daarin spelen.'

Kristiaan De Greve gidst ons door een kluwen van gangen in het onderzoekscentrum Imec. Na een carrière aan de Amerikaanse topuniversiteiten Caltech, Stanford en Harvard werd De Greve drie jaar geleden de programmadirecteur kwantumcomputing bij de Leuvense instelling. Vandaag leidt hij er een team van zowat 30 mensen en is hij één van de weinige Belgen die internationaal mee vooroploopt in de ontwikkeling van de eerste volwaardige kwantumcomputer. 'Eerlijk gezegd was ik tien jaar geleden zelf nog sceptisch', vertelt hij terwijl hij de lift in- en uitstapt. 'Maar vandaag is het zeker: it's getting real.' Met andere woorden: de kwantumcomputer komt er, daarover bestaat geen twijfel meer. En dat zal radicaal nieuwe dingen mogelijk maken.

Waarover gaat het?

Kwantumcomputers zijn volop in ontwikkeling. Experts schatten dat de eerste volwaardige systemen er over 10 à 15 jaar aankomen. Ze beloven een revolutie in rekenkracht, met verregaande gevolgen voor informatiebeveiliging en nieuwe mogelijkheden voor de zoektocht naar nieuwe geneesmiddelen en betere materialen.

Wie is in de race?

Hoewel de technologie nog niet voor morgen is, worden miljarden geïnvesteerd. China is met meer dan 15 miljard dollar de koploper in de overheidsbudgetten. In de Verenigde Staten tasten bigtechbedrijven diep in hun zakken om onderzoek mee te financieren. Ook Europa spendeert miljarden, alleen zijn de inspanningen hier hopeloos versnipperd. België loopt achter op de ons omringende landen.

Hoe gaat het verder?

De belangen zijn groot. Eerst en vooral is er de economische inzet. Volgens een recent rapport kan kwantumtechnologie de komende 15 à 30 jaar 850 miljard euro bijdragen aan de Europese economie. Daarnaast gaat het ook om technologische suprematie. En er ligt een gigantische uitdaging om militaire data, bankgegevens en bedrijfsgeheimen anders te beveiligen.

Advertentie
Advertentie

Het idee van de kwantumcomputer gaat al decennia mee. Begin jaren 80 al suggereerde Nobelprijswinnaar en vooraanstaand natuurkundige Richard Feynman dat computers de eigenschappen van kwantumfysica konden gebruiken om veel complexere berekeningen te kunnen uitvoeren. In plaats van zoals de klassieke computer gebruik te maken van bits, met als waarde 0 of 1, zou een kwantumcomputer qubits gebruiken, die meerdere waarden tegelijk kunnen aannemen.

Kwantumcomputers kunnen een serieuze bedreiging vormen. Ze kunnen de huidige systemen voor het versleutelen van gegevens makkelijk hacken. Militaire data of bedrijfsgeheimen kunnen dus zomaar op straat belanden.

De centen om met dat idee aan de slag te gaan, kwamen jaren later toen het overheden daagde dat zulke krachtige computers een serieuze bedreiging konden vormen voor de beveiliging van gevoelige informatie. De huidige systemen voor encryptie, het versleutelen van gegevens, zullen door kwantumsystemen immers gemakkelijk gehackt kunnen worden. Dat betekent dat militaire data, bankgegevens of bedrijfsgeheimen zomaar op straat kunnen belanden.

Advertentie

Van Nvidia tot China

Dat kwantumcomputers gigantische berekeningen parallel kunnen uitvoeren, en dus exponentieel veel meer rekenkracht hebben dan een 'gewone' supercomputer, biedt ook enorm veel potentieel voor onderzoek. De beloftes zijn talrijk: van het vinden van betere batterijen en nieuwe materialen over het efficiënter organiseren van verkeer, aanvoerketens en elektriciteitsnetten tot het ontwikkelen van nieuwe geneesmiddelen en verbeterd hersenonderzoek.

Advertentie

Een van de mogelijke toepassingen zit in groene kunstmest. Het is geweten dat in de natuur efficiëntere manier bestaan dan de huidige vervuilende manier om die te produceren, maar die zijn met een klassieke computer niet te modelleren.

Een bekend voorbeeld is het vinden van een groenere manier om kunstmest te produceren. De moderne landbouw kan niet zonder kunstmest, maar de productie ervan kost ongeveer 5 procent van het totale wereldwijde energieverbruik en stoot jaarlijks evenveel CO2 uit als het volledige luchtverkeer. Het is geweten dat er in de natuur efficiëntere manieren bestaan, alleen zijn die met een klassieke computer niet te modelleren.

'Een kwantumcomputer zal zeker geen computer zijn voor algemeen gebruik', legt De Greve uit. 'In principe zou je er alles mee kunnen doen, maar dat zou zijn alsof je een straaljager gebruikt om naar de winkel om de hoek te gaan. Dat zou absurd zijn. Als je zo snel mogelijk 200 kilometer verder wil geraken en er zijn geen snelheidsbeperkingen, dan zal die straaljager wel nuttig zijn. Zo moet je het zien.'

TIP

Alles om u en uw onderneming te laten groeien, leest u in de WAW!-nieuwsbrief

Een wekelijkse dosis inspiratie voor ondernemers

Wekelijks via e-mail - Uitschrijven in één klik

Dat het inmiddels duidelijk is dat het geen kwestie meer is of, maar wanneer de kwantumcomputer eraan komt, leidt tot een wedloop aan plannen en investeringen. De Verenigde Naties hebben 2025 uitgeroepen tot het Internationaal Jaar van de Kwantumwetenschap. Wereldwijd is al naar schatting 55 miljard dollar geïnvesteerd in onderzoek en ontwikkeling. Chipontwikkelaar Nvidia kondigde dit jaar aan dat het samenwerkt met Nobelprijswinnaar Giorgio Parisi, een expert in de kwantumfysica. Amazon, Google en IBM financieren grootse onderzoeksprojecten. Het Witte Huis bestempelde kwantumcomputers begin dit jaar als 'kritieke technologie', Frankrijk wil 5.000 kwantumingenieurs opleiden en China - dat de duidelijke ambitie heeft uitgesproken om een kwantumsupermacht te worden - bouwt duizenden kilometers lange netwerken voor kwantumcommunicatie.

Kwantum als gamechanger: berekenen, beveiligen en meten

Er zijn drie belangrijke toepassingen van kwantumtechnologie, die alle het potentieel hebben om radicaal nieuwe mogelijkheden te bieden voor onderzoek en industrie.

Kwantumcomputers gebruiken de principes van de kwantumfysica om bepaalde berekeningen veel sneller uit te voeren dan klassieke computers. In plaats van bits, die ofwel 0 of 1 zijn, gebruiken kwantumcomputers zogeheten qubits, die tegelijkertijd 0 én 1 kunnen zijn dankzij kwantumtoestanden. Dat maakt het mogelijk om veel complexere berekeningen en simulaties uit te voeren, van belang voor nieuwe medicijnontwikkeling of groene chemie. Tegelijk zullen kwantumcomputers onze huidige encryptiemethoden, die onze gegevens beschermen, in een wip kunnen kraken. Dat maakt nieuwe beveiligingssystemen noodzakelijk.

Kwantumcommunicatie biedt de mogelijkheid om informatie op een extreem veilige manier te versturen. Daarbij wordt gebruik gemaakt van het principe van kwantumverstrengeling, namelijk dat deeltjes op afstand met elkaar 'verbonden' zijn. Als de informatie onderschept zou worden, verandert het signaal onmiddellijk. Dit kan belangrijk zijn voor de financiële of de defensiesector. Het Belgische project BeQCI, onderdeel van het bredere Europese project EuroQCI, werkt sinds vorig jaar aan het ontwikkelen van zo'n kwantumcommunicatienetwerk.

Advertentie

Kwantumsensoren gebruiken de gevoeligheid van kwantumdeeltjes voor veranderingen in hun omgeving om extreem nauwkeurige metingen te doen. Het kan gaan van kleine veranderingen in zwaartekracht of magnetische velden tot zeer gedetailleerde locatiebepalingen. Dat kan nuttig zijn voor medische beeldvorming zonder straling of het detecteren van aardbevingen of vulkaanuitbarstingen, maar vandaag zijn er nog geen concrete toepassingen.

Advertentie

Ingewikkelde kroonluchter

Maar waar staan we nu echt? Na wat badgen duwt De Greve een deur open. In een grote laboruimte staan twee proefinstallaties. In een metalen huls hangen enkele met een microscopisch dun laagje goud gecoate staven op verschillende niveaus naast elkaar. Het ziet eruit als een ingewikkelde kroonluchter. In de staven zitten kwantumchips, verbonden met allerlei draden en sensoren. De chips moeten gekoeld worden tot het absolute nulpunt (-273,15°C) om de kwantumdeeltjes die erop zitten zo te controleren dat ze hun kwantumeigenschappen behouden. De dikke huls moet elektromagnetische storingen buitenhouden. Een resem elektronica dient om de chips aan te sturen en uit te lezen.

Het is een ongekend niveau van complexiteit. Een uitdaging die zo extreem is dat ze opwindend wordt.

Kristiaan De Greve
Programmadirecteur kwantumcomputing Imec

De hele opstelling - die in niets lijkt op een traditionele computer - is een eerste aanzet tot een echte kwantumcomputer. En dat is waar we staan: de kwantumcomputer is de academische theorie ontgroeid, we zijn aanbeland in de fase dat er effectief systemen worden gebouwd. 'Daarin kan Vlaanderen een rol spelen', zegt De Greve. 'We zijn geen groot fysicaland, maar wel een land van ingenieurs. We zijn goed in het vertalen van ideeën naar de praktijk.'

Wat gebouwd wordt, is nog lang geen volwaardige computer. Eerst en vooral omdat het nog geen uitgemaakte zaak is welk type systeem optimaal is voor een goed werkende kwantumcomputer. Het begint met de bouwstenen voor de computer: de qubits, de basiseenheden voor informatie. Zulke qubits kunnen op verschillende manieren gemaakt worden. Eén van de veelbelovende opties is werken met silicium, het materiaal dat al gebruikt wordt voor normale computerchips. 'Het voordeel daarbij is dat we kunnen terugvallen op 60 jaar ervaring', zegt De Greve.

Spaghetti aan bedrading

Niet alleen moeten de qubits op industriële schaal gemaakt kunnen worden, ze moeten ook allemaal individueel met elkaar verbonden worden. Dat levert een spaghetti aan bedrading op. De meest geavanceerde kwantumcomputers kunnen op dit moment een paar honderd qubits met elkaar verbinden en laten samenwerken. Maar dat is nog veel te weinig om de grote wereldproblemen aan te pakken waarvan wordt gedroomd. Voor echt nuttige toepassingen zijn computers nodig met miljoenen of zelfs tientallen miljoenen qubits. 'Dan spreek je over een ongekend niveau van complexiteit. Een uitdaging die zo extreem is dat ze opwindend wordt', grijnst De Greve.

200
seconden
Sycamore, een kwantumsysteem van Google, loste in 200 seconden een berekening op waarvoor een klassieke supercomputer 10.000 jaar nodig zou hebben.

Dat er zoveel miljoenen qubits nodig zijn, komt doordat informatie uit een kwantumsysteem kan verdwijnen. Een van de moeilijk te vatten eigenschappen van kwantummechanica is dat een meting (een waarneming) ervoor zorgt dat de kwantumtoestand van de qubit verandert. Daardoor gaat de informatie verloren. Een ander probleem zijn storingen of ruis van buitenaf, die de qubits beïnvloeden. Een betrouwbaar systeem moet daarom uit 10.000 keer meer qubits bestaan dan theoretisch nodig. 'Dat leidt dus tot een gigantisch schalingsprobleem.'

Harvard-professor Michael Lukin, dé wereldautoriteit in kwantumtechnologie met wie De Greve in de Verenigde Staten samenwerkte, vergelijkt de stand van zaken met die van de klassieke computer in de jaren 50. 'Toen werden computers eerst gebruikt als wetenschappelijk instrument. Het duurde decennia voor ze echt praktische toepassingen kregen. En we hadden al helemaal niet kunnen voorspellen dat we ze vandaag in onze zak zouden hebben’, vertelde Lukin onlangs in een interview. 'We bouwen nu machines waarmee we al kunnen experimenteren. Dat geeft een idee van wat mogelijk zal zijn.'

De eerste experimenten bewijzen de fenomenale kracht van kwantumcomputers. Met 53 qubits loste Sycamore, een kwantumsysteem van Google, een paar jaar geleden in ongeveer 200 seconden een berekening op waarvoor een klassieke supercomputer ongeveer 10.000 jaar nodig zou hebben.

Ultieme grenzen van de natuur

Alleen, de opkomende halfgeleiderindustrie van midden vorige eeuw kon bij elke nieuwe stap - elke keer als er meer transistoren op een chip geplaatst konden worden - nieuwe toepassingen vinden. Dat leverde telkens manieren op om geld te verdienen. Bij kwantumcomputers is dat niet het geval. De echt praktische - en dus commerciële - toepassingen zullen pas komen als er systemen zijn met miljoenen qubits. Dat vraagt volgens experts nog zeker 10 à 15 jaar onderzoek, en dus een lange tijd veel investeringen zonder direct rendement. Veel kwantumstart-ups zijn daardoor in de feiten vooral onderzoeksprojecten die gefinancierd worden door overheden of grote bedrijven.

Dat er wereldwijd toch zoveel bereidheid is om tientallen miljarden vrij te maken voor de ontwikkeling van kwantumcomputers, komt door de enorme belangen die op het spel staan. Het gaat om technologische suprematie. Kwantumcomputers gaan over de meest extreme fysica die we in handen kunnen nemen. Het is het opzoeken van de ultieme grenzen van wat de natuur toelaat. Net zoals met de verkenning van de ruimte gaat het voor de Verenigde Staten en China over hun status als 'grote natie'.

Advertentie
850 miljard
economische bijdrage
Kwantumtechnologie kan de komende 15 à 30 jaar tot 850 miljard euro opleveren voor de economie, schrijft Mario Draghi in zijn rapport over het Europese concurrentievermogen.

Ook de economische inzet is enorm. Volgens een recent rapport van de Italiaanse oud-premier Mario Draghi over het concurrentievermogen van Europa kan kwantumtechnologie 'de komende 15 à 30 jaar tot 850 miljard euro bijdragen aan de economie'. Het besef dat Europa die boot niet mag missen groeit, zeker nadat de batterijtechnologie al uit handen is gegeven aan China en de Verenigde Staten de marsrichting bepalen inzake artificiële intelligentie. De vraag is of dat lukt.

China domineert wereldwijd de investeringsrace met een overheidsbudget van ruim 15 miljard dollar. De Amerikaanse overheid maakt via het National Quantum Initiative 'maar' 3,8 miljard dollar vrij, maar daar komen ook veel centen bij uit de diepe zakken van bigtechspelers als Google en Amazon. Zelfs als kwantumcomputing in de toekomst maar een fractie wordt van de markt voor clouddiensten, willen ze immers een deel van die koek.

En België?

En Europa? Met alles samen 10 miljard dollar aan publieke middelen, volgens berekeningen van de consultant McKinsey, komt Europa qua overheidsbudgetten op de tweede plaats na China. Ook op het gebied van onderzoek - denk aan patenten - staan we mee aan de wereldtop. Alleen is het probleem dat de investeringen en onderzoeksinspanningen hopeloos versnipperd zijn. Elk land heeft zijn eigen kwantumstrategie, zijn eigen plannen voor een kwantumcomputer. Er zijn in Europa ook geen grote bedrijven die mee hun schouders zetten onder het onderzoek: negen van de tien techbedrijven die het meest investeren zijn Chinees of Amerikaans.

België heeft veel te winnen bij kwantumtechnologie, onder meer voor de belangrijke chemie- en farmasector in ons land.

'Het is tijd voor actie', concludeert een rapport dat de eerder dit jaar opgerichte Belgische belangenvereniging Quantum Circledonderdag publiceerde naar aanleiding van een eerste grote conferentie. Onder meer de bankgroep Belfius, de telecomspeler Proximus, het onderzoekscentrum Imec en het IT-bedrijf Cronos Groep zijn lid.

Advertentie

België heeft veel te winnen bij kwantumtechnologie, signaleert de organisatie. De KU Leuven heeft een sterke reputatie in cryptografieonderzoek om de veiligheid van communicatie en data te garanderen. Daarin kunnen we dus een rol spelen. Voor de belangrijke chemiecluster en farmasector in ons land kan kwantum ook nieuwe kansen bieden. En met Imec is er een onderzoeksinstituut dat op wereldniveau meespeelt in de zoektocht naar de juiste hardware.

Maar in vergelijking met de ons omringende landen hinken we nog achterop. In tegenstelling tot Frankrijk, Duitsland en Nederland heeft België momenteel bijvoorbeeld geen coherente kwantumstrategie, kaart de Quantum Circle aan. Het Vlaamse Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO) en het Nationaal Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek (FNRS) financieren weliswaar 27 projecten rond kwantumtechnologie en het Vlaams Supercomputer Centrum (VSC) en de Universiteit Hasselt zijn betrokken bij projecten voor een kwantumcomputer. Maar dat gaat niet om structurele financiering.

Terwijl vorig jaar in Nederland 23 kwantumstartups werden opgericht, blijft het aantal initiatieven hier beperkt. Ook qua investeringen van grote techspelers scoren we beduidend slechter. In oktober opende IBM zijn Quantum Data Center in Duitsland, het eerste buiten de VS. Microsoft opende eerder een Quantum Lab aan de Nederlandse TU Delft. 'De internationale race is losgebarsten', zo klinkt het bij de Quantum Circle. 'En België moet zich bezinnen over welke rol we daarin spelen.'

Advertentie

In het nieuws

Alle artikels meer
Vlaams minister van Energie Melissa Depraetere (Vooruit) is blij met het succes van de premie. 'Er is in het budget voorzien.'
'Koelkastpremie' vier keer zo populair als verwacht
Naar verwachting 72.000 gezinnen zullen dit jaar gebruikmaken van de felbesproken premie voor energiezuinige huishoudtoestellen, blijkt uit een nieuwe raming die De Tijd kon inkijken. Dat is ruim vier keer meer dan gebudgetteerd. Ondertussen wil de Vlaamse Nutsregulator de premie tijdelijk stopzetten.