Waar blijven de kwantumcomputers?

In de wereld van technologische ontwikkelingen lijken kwantumcomputers de volgende heilige graal. Hun rekenkracht belooft honderden malen boven die van onze huidige conventionele supercomputers te liggen. De voordelen van dit soort toestellen lijken eindeloos, zowel voor bedrijven als op vlak van wetenschappelijke vooruitgang.

Het is dan ook niet verwonderlijk dat er steeds meer bedrijven en onderzoekers zich op deze technologie storten. Zo zijn er bijvoorbeeld partnerschappen tussen Google en NASA, en ook Microsoft, IBM, Honeywell en zelfs Amazon zijn mee in de kwantumring gesprongen. Dat laatste lijkt misschien wat gek, maar het houdt voor Amazon steek op praktisch vlak. De berekeningen die nodig zijn om bijvoorbeeld de snelste en meest efficiënte route te bepalen voor de bezorgers van Amazon zijn enorm ingewikkeld, hoe gek het ook lijkt. Door hierin te investeren kan de winkelreus zijn concurrentie mogelijk een significante stap voor zijn.

• Lees ook: Wat is kwantumtechnologie?

De kwantumcomputers

Ook op vlak van wetenschap lijken kwantumcomputers veelbelovend. In de chemie zou het voor de ontwikkeling van nieuwe materialen kunnen zorgen, zoals katalysatoren en meer efficiënte batterijen. Voor de chemische geneeskunde houdt het onder andere een snellere ontwikkeling van nieuwe medicatie in en de mogelijkheid om ooit klinische testen op mensen en dieren de wereld uit te helpen. Redenen genoeg om enthousiast te zijn, toch?

De ontwikkeling van kwantumcomputers is echter enorm ingewikkeld en gaat eerder traag. We zien sporadisch nieuwsberichten opduiken over de nieuwste ontwikkelingen, maar de publieke interesse in deze technologie dooft vaak even snel uit als ze opkwam. Daarom vinden we het belangrijk om eens even dieper te duiken in de wereld van kwantumcomputers en een antwoord te vinden op de vraag wat deze vooruitgang nu juist tegenhoudt en of we onze verwachtingen al dan niet moeten bijstellen.

In een notendop

Om te begrijpen wat juist de problemen zijn bij de trage ontwikkeling van kwantumcomputers is het belangrijk om even terug te kijken naar hoe deze dingen juist werken. Klassieke computers verwerken informatie en lossen problemen op aan de hand van een binaire sequentie van eentjes en nullen. Deze kennen we beter als bits. Zoals je waarschijnlijk kan raden is de werking van kwantumcomputers iets meer ingewikkeld. Zij maken gebruik van ‘quantum bits’ oftewel qubits. Deze komen ook voor als nul of één, maar kennen een extra staat genaamd superpositie. Daarbij kunnen ze zowel nul als één zijn en weten we hun echte waarde pas als we ze meten. In plaats van een sequentie van een nul of één te analyseren zijn twee qubits in superpositie in staat om vier verschillende vormen aan te nemen. Per bijkomende qubit neemt dit toe, en zo stijgt de rekenkracht exponentieel.  

Quoi-bit?

Deze superpositie kan op zijn beurt verstrengeld zijn met die van andere qubits, waardoor hun uitkomsten verbonden zijn met elkaar, ook al weten we nog niet wat ze juist zijn. In dit geval heb je dus vaak aan slechts één qubit genoeg om te weten wat de waarden van de andere kunnen zijn. Om de qubits in de juiste werkende staat te krijgen moeten ze eerst zo dicht mogelijk bij het absolute nulpunt (-273,15°C) worden gebracht opdat ze zo weinig mogelijk ruis veroorzaken. Dat is niet zo eenvoudig, en zelfs dan nog is het moeilijk om ze lang met elkaar verstrengeld te houden. Qubits worden vervolgens door een reeks logische poorten geleid, wat ook bij klassieke computers het geval is. Deze uitkomsten worden dan op hun beurt geïnterpreteerd en omgezet naar de uiteindelijke resultaten.

Qubits hebben een onbepaalde waarde tot we ze bestuderen.  

Zoals je waarschijnlijk kan zien werken kwantumcomputers op een eigenaardige en unieke manier. Dat houdt dan ook in dat de informatie die ze moeten verwerken op een compleet andere manier moet worden aangereikt, en dat we de resultaten ook op een nieuwe manier moeten ontcijferen. De razendsnelle manier van het verwerken van informatie zorgt ervoor dat kwantumcomputers geschikt zijn voor enorm complexe vraagstukken. Dat houdt ook in dat we ze niet echt kunnen gebruiken als professionele tekstverwerker of veredelde Netflix-streamingmachine en dat we als alledaagse consumenten onze verwachtingen rond hun praktische nut mogelijk wat moeten bijstellen.

Kwantumheerschappij

Een maatstaf die vaak wordt gebruikt bij nieuwe ontwikkelingen op het vlak van kwantumcomputers is het bereiken van kwantumsuprematie. Dat is volgens onderzoekers het moment dat kwantumcomputers erin slagen om complexe problemen op te lossen die voor een klassieke computer onhaalbaar zijn, of toch zeker niet binnen een redelijke tijd. Dit is voor velen de heilige graal binnen het veld, maar het ijkpunt is ook zeker niet onbesproken.

In 2019 beweerde Google een kwantumcomputer genaamd Sycamore te hebben gemaakt die de kwantumsuprematie had bereikt. Het zou naar verluidt met zijn 53 qubits in 200 seconden berekeningen hebben gemaakt waar supercomputers 10.000 jaren over doen. Helaas was de uitkomst niet zo zwart-wit als het bedrijf zelf beweerde.

Niet waar?

Volgens critici klopte het theoretisch gezien wel dat Google de mooie resultaten had bereikt, maar de opdracht die het bedrijf aan de computer had gegeven zou naar verluidt zo beperkt en op maat gemaakt van hun systeem zijn geweest, dat het niet naar andere scenario’s kan worden uitgebreid. Volgens IBM hadden de berekeningen ook op ‘traditionele’ supercomputers gemaakt kunnen worden binnen 2,5 dagen, mits er genoeg opslagruimte voorzien was.

Het zal ongetwijfeld een indrukwekkend staaltje techniek zijn geweest van Google, maar vormt dit een legitieme claim op de kwantumsuprematie? Net als bij kwantumcomputers het geval is, kan ook dit blijkbaar niet zomaar binair worden bekeken. Dan hebben we het nog niet gehad over de wetenschappers die van mening zijn dat de jacht op kwantumsuprematie volledig zinloos is als het geen praktische machines oplevert.

Kleine wereld, grote hindernissen

De enorm ingewikkelde structuur en werking van deze supercomputers bevat enkele obstakels, wat weinig verrassend is. Deze zijn dan ook vaak even complex als de rest van de werking van deze toestellen, wat al snel een verklaring geeft voor de trage vooruitgang.

De grootste hindernissen bevinden in de wereld van de kwantumfysica, en met name bij de volatiliteit van de qubits. Ze zijn enorm klein, kwetsbaar en onvoorspelbaar. Om te beginnen moeten de qubits kwalitatief sterk genoeg zijn om ook daadwerkelijk bruikbaar te blijken in de opstellingen van de computers. Ze moeten lang genoeg in hun staat van superpositie kunnen verkeren voordat ze uit elkaar vallen. Daarnaast moeten ze ook schaalbaar zijn en in grotere groepen correct met elkaar kunnen blijven communiceren zonder verstoringen of verlies van geheugen.

Kwantumcomputers v.s. foutmarges

Net als bij klassieke computers kunnen er zich fouten voordoen bij de berekeningen. In onze gekende computers zijn er mechanismen ingebouwd die deze fouten kunnen rechtzetten, waardoor we zelfs nooit weten dat ze zich voordeden. Bij kwantumcomputers ligt het weer moeilijker vanwege de fragiliteit van de qubits. Het is mogelijk om algoritmes in te bouwen die fouten bij qubits verbeteren. De prijs hiervoor is echter het inschakelen van meer qubits om de fouten uit de berekeningen van de originele qubit te halen, en dan kom je met het probleem te zitten dat je al snel enorm veel qubits moet onderhouden waarvan er slechts een beperkt aantal de uiteindelijke berekeningen uitvoeren.

Zoals we reeds aanhaalden, is er ook het feit dat de qubits meestal slechts werkzaam zijn op enorm lage temperaturen. Dat zuipt geld en energie, en vraagt ook een toestel dat praktisch is en de mogelijkheid heeft om meerdere qubits efficiënt te koelen.

Technische obstakels

Naast de fysische problemen zijn er ook een boel technische zaken die we zeker niet mogen vergeten. Voor dit soort computers hebben we om te beginnen ook software nodig die met deze hardware kan communiceren. Gezien het lange onderzoek naar de technologie is er wel een flinke basis aanwezig, maar deze moet steeds worden bijgesteld om op nieuwe systemen te kunnen werken.

Een bijkomend struikelblok in het onderzoek naar de ontwikkeling van dit soort technologieën is soms ook een gebrek aan geld. We weten dat er enkele grote bedrijven waaronder Amazon en Google bezig zijn met hun eigen systemen. Dat klinkt leuk, maar we hopen alvast dat niet alle kwantum-macht weer enkel in de handen van de grote techreuzen terecht komt.

Kwantumtoekomst

Dan rest ons natuurlijk nog de laatste vraag: wanneer zullen we ze wel zien verschijnen? Dat is enorm moeilijk te voorspellen, gezien de significante obstakels die de technologie nog eerst moet overwinnen. We hebben de voorbije jaren wel leuke ontwikkelingen gezien op dit vlak, waardoor alles dichter lijkt dan ooit.

Hou er rekening mee dat ook technologische ontwikkelingen onderworpen zijn aan allerlei grillen, en dat we misschien de komende jaren geen grote stappen zullen zetten. Er bestaat zelfs een kans dat we nooit in staat zullen zijn om een relevante hoeveelheid qubits lang genoeg in de juiste staat te houden om er echt zware berekeningen mee uit te voeren. Gezien de stijgende interesse blijven we toch eerder hoopvol.

IBM heeft vorig jaar in september nog gesteld dat het in 2023 een werkende kwantumcomputer met 1.000 qubits zal hebben. Dat zou een flinke stap betekenen in het onderzoek rond deze toestellen, maar er lijkt ons gezien de omvang van deze beweringen een korreltje zout aan de orde. Als we van de snelheid waarmee de kwantumcomputers zich nu ontwikkelen mogen uitgaan, dan lijkt het ons wel waarschijnlijk dat we binnen de zeven en tien jaren wel bruikbare computers zien verschijnen. Er is nog wel wat werk aan de winkel voor de onderzoekers, waardoor vroeger dan dat iets té optimistisch lijkt, maar echt zeker zijn we nooit.

Het is moeilijk om nu een beeld te vormen van de mogelijke impact die kwantumcomputers op onze technologische ontwikkelingen zullen hebben. Misschien worden ze de grote brenger van wetenschappelijke doorbraken en ontwikkelingen op vlak van kunstmatige intelligentie. We vermoeden echter dat we nog even met onze voeten op de grond moeten blijven staan tot ons het tegendeel wordt bewezen.

Deze kwantumcomputers zullen een nieuwe generatie supercomputers vormen die naar alle waarschijnlijk ter beschikking worden gesteld van grote bedrijven en wetenschappers. Naarmate de technologie meer beschikbaar wordt, zullen ook meer mensen ermee aan de slag kunnen. De kans is echter klein dat wij als eenvoudige gebruikers ooit met voldoende complexe puzzels worden geconfronteerd die om dit soort technologie vragen. We komen er over zeven jaren nog eens op terug, beloofd.