Voor velen is het een sciencefiction fantasie. Nieuwe ontwikkelingen worden door velen gevolgd. Het fenomeen spreekt tot de verbeelding met zijn onlogische logica en bizarre vereisten zoals kwantumverstrengeling. Webwereld sprak met prof. dr. ir. Lieven Vandersypen, kwantumfysicus aan de TU Delft om eens te weten te komen wat we kunnen verwachten van de kwantumcomputer.

Doorbraak

Vandersypen ziet de nieuwe doorbraak in het onderzoek naar kwantumcomputers simpelweg als iets dat past in de serie experimenten op dat gebied van de afgelopen maanden. “Het feit dat ze 10 miljard bits gebruiken is eigenlijk totaal irrelevant. In de kwantumcomputer heb je een register, bestaande uit meerdere kwantumbits en het is de bedoeling dat je die met elkaar gaat verstrengelen. Nu hebben ze een register van twee bits die met elkaar verstrengeld zijn en daar hebben ze dus heel veel kopieën van, omdat dat het makkelijker maakt om de uitlezing te doen, omdat je veel signalen hebt die bij elkaar optellen.”

Wat wel belangrijk is, zijn de lage temperaturen. Qubits, bestaande uit een elektronspin en een kernspin, wijzen in willekeurige richtingen bij hogere temperaturen. “En dan kunnen we niets met de qubits. Wat de Universiteit van Oxford in het experiment heeft gedaan, is de toestanden van de twee spins met elkaar te correleren. Een kwantumcorrelatie welteverstaan, wat hetzelfde is als een verstrengeling. De toestanden van die twee spins blijken op een hele speciale manier met elkaar verbonden, zodat we er iets mee kunnen. Het is met andere systemen al eerder gedaan, maar het is voorheen nog niet gedaan met kernspins. Dat is met dit onderzoek wel gelukt.”

Over halfgeleider eilandjes en elektrons vangen

Waar Vandersypen echter stiekem meer van onder de indruk is, is het experiment waarin het gelukt is om drie qubits in vaste vorm te laten verstrengelen. Maar hij heeft daarnaast natuurlijk veel vertrouwen in zijn eigen experimenten. Hij doet onderzoek naar zogenaamde kwantumdots. “Voor de kenner: dat zijn kleine halfgeleider eilandjes waar je een elektron in kan vangen. In elk eilandje vangen we één elektron en met de spin daarvan gaan we aan de slag. Voor de leek klinkt natuurlijk allemaal vrij ingewikkeld, maar het betekent simpelweg dat we vanuit een andere hoek zoeken naar de beste route richting kwantumcomputers. Wij denken dat met het resultaat van ons onderzoek namelijk een veel beter schaalbare kwantumcomputer te bouwen is dan met de insteek die ze in Oxford hanteren.”

Wanneer wordt de kwantumcomputer uitgevonden?

We lijken door alle ontdekkingen en doorbraken in kwantumonderzoek steeds dichterbij een daadwerkelijke kwantumcomputer te komen. Maar aan wat voor tijdsperiode moeten we dan denken? “Ik hoop zelf vijf tot tien jaar, voordat we definitief kunnen zeggen dat het kan. Het zou mooi zijn als we dan zouden hebben aangetoond dat er een route is, waarbij je kunt verwachten dat er zo’n apparaat uitkomt als je die route volgt. Maar het kan dan wellicht nog eens tien jaar duren voor het zover is. We zitten nu nog steeds in het stadium van fundamenteel onderzoek, waarbij we met kleine demonstratie-experimentjes proberen om de bouwstenen onder de knie te krijgen. We willen daarmee inzicht krijgen in de moeilijkheden en oplossingen. Op een gegeven moment komen we dan op een punt waarop we kunnen zeggen dat als we het op een bepaalde manier aanpakken, het moet lukken. Op dat moment kunnen we er dan eens aan gaan denken om een prototype te bouwen”, zegt Vandersypen.

What’s in it for us?

Maar als er dan eenmaal zo’n kwantumcomputer is, wat kunnen we er dan eigenlijk allemaal mee? “Er zijn eigenlijk 3 categorieën problemen die we met computers oplossen”, begint Vandersypen. “Eén categorie kunnen we prima met bestaande computers aanpakken. Dat zijn de dingen zoals tekstverwerken of browsen op internet. Daar heb je geen kwantumcomputer voor nodig en het zou ook niet eens sneller zijn.”

“Een tweede categorie problemen zijn de berekeningen waar ontzettend veel rekenwerk aan te pas komt. Deze categorie is beter bekend als het Traveling Salesman Probleem. De berekeningen duren dusdanig lang, dat het vaak onbegonnen werk is om ze uit te voeren. Helaas is het met de huidige kennis zo, dat een kwantumcomputer ons ook al niet kan helpen om dat probleem sneller op te lossen. Het voorspellen van het weer bijvoorbeeld, valt in die categorie.” We kunnen dus straks met kwantumcomputers niet opeens bijvoorbeeld voorspellen dat het over één jaar, drie maanden, drie dagen en zeven uren zaak is om een goede dijk te hebben staan, omdat ons land anders overstroomt als gevolg van een superstorm. Dat zijn onzinverhalen.”

Innovatie

Maar er is nog een derde categorie problemen. Deze is in de praktijk zelfs onoplosbaar voor supercomputers. Bij deze categorie kan de kwantumcomputer volgens Vandersypen wel helpen. Een bekend voorbeeld daarvan is om een groot getal in zijn delers te ontbinden. Fractoriseren heet dat en het is relevant voor cryptografie.

"Een andere toepassing die mij persoonlijk meer motiveert, is dat je er kwantumsystemen heel efficiënt mee zou kunnen simuleren", stelt Vandersypen. "Het uitrekenen daarvan was ook het idee dat Richard Feynman, die in 1982 voor het eerst sprak over een kwantumcomputer, voor ogen had. Kwantumsystemen staan er bekend om dat ze exponentieel moeilijk zijn om uit te rekenen op normale computers. Dat heeft te maken met de bijzondere correlaties die mogelijk zijn in kwantumsystemen. Maar soms zouden we maar wat graag kwantumgedrag uitrekenen. Een voorbeeld daarvan is om te begrijpen waarom sommige materialen bij lage temperaturen weerstand verliezen. Dat heet supergeleiding. Hoge temperatuur supergeleiding is bijvoorbeeld al 20 tot 30 jaar geleden ontdekt, maar nog steeds niet begrepen. Er kunnen dus natuurkundige vraagstukken mee worden opgelost die in veel gevallen technologisch erg relevant zijn. Als je bijvoorbeeld materialen zou kunnen maken die bij kamertemperatuur geen weerstand hebben, zou dat grote gevolgen hebben voor het transporteren van elektriciteit over grote afstand. En wellicht ook voor nieuwe elektromotoren of magneten bijvoorbeeld. Voor de natuurkunde en uiteindelijk dus ook voor innovatie zou een kwantumcomputer ons bijzonder goed kunnen helpen.”

Maar er zijn meer potentiële toepassingen voor kwantumcomputers. “Een ander voorbeeld is het feit dat transistoren steeds kleiner worden. We komen echt op het punt dat kwantumeffecten een rol gaan spelen. Dan is het dus van belang om die effecten in kaart te brengen. Dat doen ze nu met supercomputers, maar dat blijft bij benaderingen en is een beetje half werk. Op dat gebied zouden kwantumcomputers goed ingezet kunnen worden.”

Consumentenelektronica en eiwitten vouwen

We zullen volgens Vandersypen waarschijnlijk nooit een computer op kwantumtechnologie thuis hebben staan. “Met de kwantumalgoritmes die we nu kennen, heeft dat geen zin. Je kunt een kwantumcomputer beter vergelijken met een supercomputer, niet met consumentenelektronica. Supercomputers zijn voor de maatschappij erg belangrijk. Zo worden ze bijvoorbeeld gebruikt om het weer te voorspellen, maar ook om het vouwen van eiwitten te berekenen. Wie weet vinden we op een gegeven moment wel meer toepassingen voor de kwantumcomputer dan we nu mogelijk achten. Daar wordt natuurlijk ook onderzoek naar gedaan. Maar zoals het er nu uitziet, wordt het een apparaat dat voor specifieke toepassingen erg nuttig en belangrijk zal zijn.”