Het geheim van de kracht van een quantumcomputer ligt in zijn vermogen om quantumbits, of qubits, te genereren en te manipuleren.

Wat is een qubit?

De computers van vandaag gebruiken bits – een stroom elektrische of optische pulsen die 1’s of 0’s voorstellen. Alles van je tweets en e-mails tot je iTunes-nummers en YouTube-video’s zijn in wezen lange reeksen van deze binaire cijfers.

Kwantumcomputers maken daarentegen gebruik van qubits, die meestal subatomaire deeltjes zijn, zoals elektronen of fotonen. Het genereren en beheren van qubits is een wetenschappelijke en technische uitdaging. Sommige bedrijven, zoals IBM, Google en Rigetti Computing, maken gebruik van supergeleidende circuits die worden gekoeld tot temperaturen kouder dan diep in de ruimte. Andere, zoals IonQ, vangen individuele atomen in elektromagnetische velden op een siliciumchip in ultra-hoog-vacuümkamers. In beide gevallen is het doel de qubits in een gecontroleerde quantumtoestand te isoleren.

Qubits hebben een aantal eigenaardige quantumeigenschappen, waardoor een aaneengesloten groep ervan veel meer verwerkingskracht kan leveren dan hetzelfde aantal binaire bits. Een van die eigenschappen staat bekend als superpositie en een andere heet verstrengeling.

Wat is superpositie?

Qubits kunnen talloze mogelijke combinaties van 1 en 0 tegelijk vertegenwoordigen. Dit vermogen om tegelijkertijd in meerdere toestanden te verkeren wordt superpositie genoemd. Om qubits in superpositie te brengen, manipuleren onderzoekers ze met precisielasers of microgolfstralen.

Dankzij dit contra-intuïtieve verschijnsel kan een quantumcomputer met meerdere qubits in superpositie een enorm aantal mogelijke uitkomsten tegelijk doorrekenen. Het eindresultaat van een berekening wordt pas duidelijk als de qubits worden gemeten, waardoor hun quantumtoestand onmiddellijk “instort” tot 1 of 0.

Wat is verstrengeling?

Onderzoekers kunnen paren van qubits genereren die “verstrikt” zijn, wat betekent dat de twee leden van een paar in een enkele kwantumtoestand verkeren. Als de toestand van een van de qubits wordt veranderd, verandert de toestand van de andere qubits onmiddellijk op een voorspelbare manier. Dit gebeurt zelfs als ze over zeer grote afstanden van elkaar gescheiden zijn.

Niemand weet precies hoe of waarom verstrengeling werkt. Einstein, die het beroemd omschreef als “spookachtige actie op afstand”, was er zelfs verbijsterd over. Maar het is de sleutel tot de kracht van kwantumcomputers. In een conventionele computer verdubbelt de verdubbeling van het aantal bits de verwerkingskracht. Maar door verstrengeling kunnen extra qubits aan een kwantummachine worden toegevoegd, waardoor de rekenkracht exponentieel toeneemt.

Kwantumcomputers gebruiken verstrengelde qubits in een soort kwantummargrietschakel om hun magie uit te voeren. Het vermogen van de machines om berekeningen te versnellen met behulp van speciaal ontworpen kwantumalgoritmen is de reden waarom er zoveel opwinding is over hun potentieel.

Dat is het goede nieuws. Het slechte nieuws is dat kwantummachines veel foutgevoeliger zijn dan klassieke computers vanwege decoherentie.

Wat is decoherentie?

De interactie van qubits met hun omgeving op een manier die ertoe leidt dat hun quantumgedrag vervaagt en uiteindelijk verdwijnt, wordt decoherentie genoemd. Hun quantumtoestand is uiterst fragiel. De kleinste trilling of verandering in temperatuur – verstoringen die in kwantumjargon “ruis” worden genoemd – kan ertoe leiden dat ze uit de superpositie tuimelen voordat hun werk goed en wel is gedaan. Daarom doen onderzoekers hun best om qubits tegen de buitenwereld te beschermen in die supergekoelde koelkasten en vacuümkamers.

Maar ondanks hun inspanningen sluipt er door ruis nog steeds een heleboel fout in berekeningen. Slimme kwantumalgoritmen kunnen een deel van die fouten compenseren, en het toevoegen van meer qubits helpt ook. Maar er zijn waarschijnlijk duizenden standaard-qubits nodig om een enkele, zeer betrouwbare qubit te maken, een zogenaamde “logische” qubit.

En daar wringt de schoen: tot nu toe zijn onderzoekers er nog niet in geslaagd om meer dan 128 standaard qubits te genereren (zie onze qubit-teller hier). We zijn dus nog vele jaren verwijderd van kwantumcomputers die op grote schaal bruikbaar zullen zijn.

Dat heeft nog geen deuk geslagen in de hoop van de pioniers om als eerste “kwantum suprematie” aan te tonen.”

Wat is quantum suprematie?

Het is het punt waarop een quantumcomputer een wiskundige berekening kan voltooien die aantoonbaar buiten het bereik ligt van zelfs de krachtigste supercomputer.

Hoeveel qubits er precies nodig zijn om dit te bereiken, is nog onduidelijk, omdat onderzoekers steeds nieuwe algoritmen vinden om de prestaties van klassieke machines op te voeren, en de hardware voor supercomputers steeds beter wordt. Maar onderzoekers en bedrijven werken er hard aan om de titel te bemachtigen, door tests uit te voeren tegen enkele van de krachtigste supercomputers ter wereld.

Er is in de onderzoekswereld veel discussie over hoe belangrijk het bereiken van deze mijlpaal zal zijn. In plaats van te wachten tot de suprematie wordt uitgeroepen, beginnen bedrijven al te experimenteren met quantumcomputers van bedrijven als IBM, Rigetti en D-Wave, een Canadees bedrijf. Chinese bedrijven als Alibaba bieden ook toegang tot kwantummachines. Sommige bedrijven kopen kwantumcomputers, terwijl andere er gebruik van maken via cloud computing-diensten.

Waar kan een kwantumcomputer waarschijnlijk het eerst van pas komen?

Een van de meest veelbelovende toepassingen van kwantumcomputers is het simuleren van het gedrag van materie tot op moleculair niveau. Autofabrikanten als Volkswagen en Daimler gebruiken kwantumcomputers om de chemische samenstelling van accu’s voor elektrische auto’s te simuleren en zo nieuwe manieren te vinden om de prestaties ervan te verbeteren. En farmaceutische bedrijven gebruiken ze om verbindingen te analyseren en te vergelijken, wat kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe medicijnen.

De machines zijn ook zeer geschikt voor optimalisatieproblemen, omdat ze zeer snel enorme aantallen potentiële oplossingen kunnen kraken. Airbus, bijvoorbeeld, gebruikt ze om de meest brandstofefficiënte stijg- en daalroutes voor vliegtuigen te berekenen. En Volkswagen heeft een dienst onthuld die de optimale routes voor bussen en taxi’s in steden berekent om opstoppingen tot een minimum te beperken. Sommige onderzoekers denken ook dat de machines kunnen worden gebruikt om kunstmatige intelligentie te versnellen.

Het kan nog wel een paar jaar duren voordat kwantumcomputers hun volledige potentieel hebben bereikt. Universiteiten en bedrijven die aan kwantumcomputers werken, hebben te kampen met een tekort aan gekwalificeerde onderzoekers op dit gebied en een gebrek aan leveranciers van sommige belangrijke onderdelen. Maar als deze exotische nieuwe computermachines hun belofte waarmaken, kunnen ze hele bedrijfstakken transformeren en de wereldwijde innovatie een impuls geven.