Leren surfen op de kwantumgolf

De Californische start-up Atom Computing heeft aangekondigd dat hij als eerste ter wereld een kwantumcomputer in het leven heeft geroepen met meer dan 1.000 qubits. Volgend jaar wordt die toegankelijk voor klanten.

De kwantumcomputer ontstond begin jaren 80. De Amerikaanse fysicus Richard Feynman zag in dat je met de principes van de kwantummechanica, de natuurkunde van de subatomaire deeltjes zoals elektronen en fotonen, een toestel kan maken dat op een totaal nieuwe manier kan rekenen. In plaats van zoals de klassieke computer gebruik te maken van bits, met als waarde 0 of 1, gebruikt de kwantumcomputer qubits, die meerdere waarden tegelijkertijd kunnen aannemen.

Qubits kunnen ook verstrengeld worden, wat betekent dat hun toestand gekoppeld wordt, zelfs als ze zich op grote afstand van elkaar bevinden. Dat fenomeen laat toe met ongekende snelheid en efficiëntie bepaalde berekeningen uit te voeren, alleen bevat het resultaat een stuk onzekerheid. Dat maakt het toestel niet minder bruikbaar, integendeel. Het kan complexe zoek- en optimalisatieproblemen oplossen waarvoor een klassieke computer de duimen moet leggen.

In de praktijk blijkt een bruikbaar toestel met qubits maken evenwel erg moeilijk. Qubits zijn kwetsbaar en gevoelig voor ruis, wat foutcorrectie noodzakelijk maakt.

Al jaren is een race bezig om de eerste echt nuttige kwantumcomputer te maken. De eeuwige computerpionier IBM bereikte belangrijke doorbraken met zijn 127-qubit Eagle en 433-qubit Osprey. Binnenkort plant het de release van Condor met 1.121 qubits en het droomt van een modulair systeem dat 100.000 qubits aankan. Googles Sycamore heeft er ondertussen 70, terwijl het dochterbedrijf Quantum AI software ontwikkelt om wetenschappers kwantumalgoritmes te helpen schrijven.

De nieuwe speler Atom Computing maakt voor zijn qubits gebruik van ytterbium-atomen. De details publiceerden de onderzoekers in het gerenommeerde tijdschrift Nature. Terwijl andere types qubits zich vaak maar een fractie van een seconde in de gewenste toestand bevinden, kunnen de ytterbium-atomen dat enkele tientallen seconden.

Daarenboven kunnen ze fysiek dicht bij elkaar zitten, wat opschalen makkelijker maakt. Zo maakte Atom Computing er 100 bij zijn opstart in 2021 en treedt het nu al met 1.180 qubits naar buiten. Als het in dat tempo doorgaat, komen genoeg qubits binnen handbereik om ook foutcorrectiealgoritmes te draaien. Dat is broodnodig, want de qubitmanipulaties van Atom Computing zijn vrij foutgevoelig. Nog geen enkel systeem scoort dus op alle vlakken goed.

In 1994 bewees de wiskundige Peter Shor dat kwantumcomputers met voldoende qubits en robuuste berekeningen onze digitale beveiligingssystemen kunnen kraken. Daardoor loopt de race voor het ontwikkelen van de nieuwe machine parallel met het ontwikkelen van nieuwe kwantumresistente beveiliging.

Wetenschappelijke ontdekkingen

Zijn kwantumcomputers naast een gevaar ook nuttig? Absoluut. Hun potentieel ligt vooral in het ontdekken van nieuwe medicijnen en materialen, doordat moleculaire interacties eindelijk nauwkeurig kunnen worden gesimuleerd. Ze zullen ook hun nut bewijzen in de financiële en in de logistieke sector. Bovendien zullen ze het mogelijk maken nieuwe algoritmes voor kunstmatige intelligentie te ontwikkelen. De klassieke computers gaan ze niet vervangen. Samen gaan ze een tandem vormen.

Nu bij meerdere fabrikanten stilaan kwantumcloudservices mogelijk worden, kunnen onderzoekers en bedrijven binnenkort volop experimenteren met kwantumberekeningen. Hoewel er nog altijd veel technische uitdagingen zijn, brengt elke nieuwe ontwikkeling in kwantumcomputing ons een stap dichter bij nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen waarvan de impact op de samenleving diepgaand zal zijn. Het wordt dus tijd dat ook de Belgische industrie zich klaarmaakt om op de kwantumgolf mee te surfen.