Steeds meer overheden en grote techbedrijven zoals Microsoft, IBM en Google investeren in quantumtechnologie. Ze werken aan de bouw van quantumcomputers die beloven bepaalde berekeningen veel sneller te doen dan de krachtigste supercomputers. Die belofte lijkt dichterbij te komen. Vijf jaar geleden claimde Google dat hun quantumcomputer in een paar minuten een berekening uitvoerde waar een supercomputer duizenden jaren over zou doen. En een Chinese quantumcomputer zou in enkele minuten een berekening voltooid hebben waarop een supercomputer ruim een miljard jaar zou moeten zwoegen.
Europa wil niet achterblijven. Daarom investeert het Europese supercomputersamenwerkingsverband EuroHPC in de bouw van acht Europese quantumcomputers. Eind oktober werd bekend dat één daarvan in Amsterdam komt te staan, gekoppeld aan de supercomputer Snellius van SURF, de Nederlandse samenwerkingsorganisatie voor ict-innovatie. De kleine 10 miljoen die het apparaat gaat kosten, zal voor de helft betaald worden door Europa. Nederland en Frankrijk betalen de andere helft. Al binnen twee jaar moeten studenten, onderzoekers en bedrijven gebruik kunnen gaan maken van de quantumcomputer.
Het doel van de nieuwe Europese apparaten is om praktijkervaring op te doen met de veelbelovende quantumtechnologie. De bouw is daarom niet opgezet als wetenschappelijk experiment, maar als een commerciële aanbesteding. Lieven Vandersypen, hoogleraar quantum-nanowetenschappen aan de TU Delft en QuTech, is enthousiast over deze aanpak. „Dit motiveert quantumtechbedrijven om een apparaat te ontwikkelen dat betrouwbaar en stabiel werkt, zodat iedereen ermee aan de slag kan. Dat is heel anders dan een wetenschappelijk experiment, dat van een paar onderzoekers is die het ding bij elke test opnieuw moeten kalibreren en afstellen.”
Richard Versluis, principal systems engineer quantumtechnologie bij TNO, is ook enthousiast. „Ik vind het heel leuk dat deze quantumcomputer in Nederland komt te staan en dat de quantumtechnologie hiermee wat meer uit het lab komt en richting het bedrijfsleven schuift.”
Hoewel de ontwikkeling van quantumcomputers nog in volle gang is, zijn de verwachtingen hoog.
Hoewel de ontwikkeling van quantumcomputers nog in volle gang is, zijn de verwachtingen hoog. De belofte is dat deze apparaten bepaalde taken ongelooflijk veel sneller kunnen uitvoeren dan de huidige supercomputers. Die superrekenkracht dankt een quantumcomputers aan de quantumeigenschappen van zijn bouwstenen – de quantumbits (qubits). Qubits kunnen niet enkel één óf nul zijn, zoals de ‘gewone’ computerbits, maar ook een combinatie daarvan. Dat maakt het mogelijk om een heleboel berekeningen parallel, en dus tegelijkertijd, uit te voeren. Dat betekent dat quantumcomputers vraagstukken zouden kunnen beantwoorden die nu nog buiten ons bereik liggen omdat de huidige computers duizenden, miljoenen of zelfs miljarden jaren nodig hebben om tot een antwoord te komen.
Vloek en zegen
Toekomstige quantumcomputers zouden bijvoorbeeld binnen afzienbare tijd het gedrag van moleculen en molecuulstructuren kunnen uitrekenen om betere materialen te ontwerpen voor batterijen en zonnecellen of om nieuwe medicijnen te ontwikkelen. Maar je kunt de apparaten ook gebruiken om in een handomdraai beveiligingsmethodes van bijvoorbeeld internetbankieren te kraken. c
Al deze veelbelovende – en verontrustende – toepassingen van quantumcomputers zijn voorlopig nog toekomstmuziek. „Zo ver is de huidige quantumtechnologie nog niet”, zegt Versluis.
Zowel de Chinese quantumcomputer als die van Google kon namelijk maar één specifieke taak sneller uitvoeren dan de huidige supercomputers. In beide gevallen was dat bovendien – simpel gezegd – het produceren van een reeks willekeurige getallen met een bepaalde kansverdeling.
Bedrijven uitdagen
„De acht Europese quantumcomputers zullen ook geen noemenswaardige vraagstukken gaan oplossen”, zegt Versluis. Ze zullen namelijk beschikken over hooguit enkele tientallen qubits, terwijl je voor het oplossen van nuttige berekeningen waarschijnlijk minimaal een miljoen qubits nodig hebt. Versluis: „Het klinkt misschien wat oneerbiedig, maar deze quantumcomputers zijn echt om een beetje mee te spelen.”
Dat spelen heeft wel een doel. Behalve dat het bedrijven uitdaagt om een commerciële en stabiele quantumcomputer te bouwen, krijgen de apparaten een publieksfunctie. Europese onderzoekers en bedrijven – de toekomstige eindgebruikers – kunnen op aanvraag toegang krijgen om te verkennen hoe het is om met een quantumcomputer te werken en te kijken wat het hen zou kunnen brengen, zegt Vandersypen. „Stel je werkt in de industrie, bij een onderzoeksinstituut of bij een bank, en je leest in de krant over quantumcomputers. Als je je er dan in wilt verdiepen, dan maakt het een groot verschil of je er enkel over kunt lezen of dat je het ook kunt uitproberen.”
Hoewel quantumcomputers nu nog in de kinderschoenen staan, is het volgens Anne-Marije Zwerver, postdoc-onderzoeker bij QuTech, belangrijk dat eindgebruikers er nu al mee kennismaken. „Als we daar pas mee beginnen als we een apparaat met een miljoen qubits hebben, dan zijn we veel te laat”, zegt ze. „Dat zag je bij AI. Daar werden eindgebruikers verrast doordat de technologie er ineens was. Ik hoop dat dat bij quantumtechnologie niet gebeurt. Bovendien kunnen we als bouwers de apparaten meer toepassingsgericht ontwerpen als eindgebruikers meegroeien met de ontwikkelingen. Zo kunnen we van en met elkaar leren om tot een mooie toekomst voor quantumtechnologie te komen.”
De qubittechnologie die op dit moment het verst gevorderd is, zijn de zogeheten supergeleidende qubits.
Hoe toekomstige, krachtige quantumcomputers er precies gaan uitzien, is nog niet duidelijk. De acht quantumcomputers zullen daarom allemaal van een andere technologie gebruikmaken. De verschillen zitten voornamelijk in de bouwstenen van de quantumcomputer: de qubits. De qubittechnologie die op dit moment het verst gevorderd is, zijn de zogeheten supergeleidende qubits. Die bestaan uit een materiaal dat bij extreem lage temperaturen weerstandsloos stroom geleidt. De quantumcomputers van IBM en Google werken hiermee. In Tsjechië en Duitsland komen Europese quantumcomputers met deze qubittechnologie.
Spanje krijgt een apparaat dat gebruikmaakt van een net andere variant van supergeleidende qubits. In Frankrijk gaan ze werken met fotonen (lichtdeeltjes) als qubits. In Italië worden ongeladen atomen gebruikt en in Polen geladen atomen. Luxemburg en Nederland krijgen elk een andere versie van een quantumcomputer met zogeheten halfgeleider-spin-qubits.
Gevangen in een kooitje
Spin-qubits bestaan uit een elektron dat gevangen is een soort kooitje gemaakt van halfgeleidermateriaal. De elektronen kunnen in de quantumtoestanden genaamd spin up en spin down verkeren (en in een combinatie van die twee). Die toestanden stellen de één en nul van een qubit voor. Zo kunnen elektronen dus spin up (één), spin down (nul) of een combinatie van die twee zijn.
Welke qubittechnologie het meest geschikt is voor toekomstige, krachtige quantumcomputers, zal de komende jaren gaan blijken. En misschien zijn er meerdere winnaars. „Het zou kunnen dat verschillende technologieën geschikt zijn voor verschillende problemen”, zegt Versluis. „Bedrijven die logistieke optimalisatieproblemen willen oplossen, zoals het distribueren van pakketjes, gebruiken dan een ander type quantumcomputer dan farmaceuten die nieuwe medicijnen ontwikkelen.”
De quantumcomputer in Amsterdam gaat in eerste instantie beschikken over minimaal zestien halfgeleider-spin-qubits. Deze technologie is minder ver ontwikkeld dan bijvoorbeeld de supergeleidende qubits. Maar er zijn een aantal veelbelovende voordelen.
Ik ben heel erg fan van deze spin-qubittechnologie
„Ik ben heel erg fan van deze spin-qubittechnologie”, zegt Zwerver enthousiast. „Een van de voordelen is dat ze heel erg lijken op transistoren – de bouwstenen van gewone computerchips. Om te beginnen zijn ze ongeveer even klein als transistoren, waarvan er miljarden op een chip ter grootte van je vingernagel passen.” Dat is gunstig, omdat toekomstige quantumcomputers waarschijnlijk uit miljoenen qubits bestaan. Zwerver: „Andere qubits zijn veel groter. De supergeleidende qubits zijn bijvoorbeeld tot een vierkante millimeter groot. Dat lijkt klein, maar als je er een miljoen van nodig hebt, krijg je een chip van een vierkante meter.”
Een ander voordeel is dat ze, omdat ze op transistoren lijken en ook bestaan uit halfgeleidermaterialen, gemaakt kunnen worden door de bestaande halfgeleiderindustrie die computerchips produceert. „In 2021 hebben we aangetoond dat we met een paar aanpassingen halfgeleiderqubits kunnen maken op de productielijn van chipfabrikant Intel”, vertelt Zwerver. „Deze qubits waren nog niet perfect, maar het laat zien dat je relatief eenvoudig uniforme en goed werkende spin-qubits kunt produceren.”
:format(webp)/s3/static.nrc.nl/wp-content/uploads/2024/11/06112525/data123989128-2d8f8b.jpg)
Volgens Vandersypen, die zelf al jaren „met hart en ziel” werkt aan spin-qubits, zijn er nog wel wat uitdagingen voordat de huidige halfgeleidertechnologie quantumbits kan gaan produceren. Ook zou het kunnen dat deze qubits door hun kleine formaat gevoeliger zijn voor verstoringen. Toch is hij optimistisch. „We zien wat hobbels op de weg, maar nog geen showstoppers.”
Vandersypen, Versluis en Zwerver vinden het alledrie mooi dat Nederland gekozen heeft voor een van de Europese halfgeleider-spin-qubitquantumcomputers. Versluis: „Het is een erkenning voor Nederland, dat dankzij Delfts onderzoek al jaren een koppositie heeft op het gebied van deze technologie.” Zwerver beaamt dat. „Het klinkt misschien arrogant, maar in Nederland behoren we echt tot de wereldtop op het gebied van deze spin-qubits.”
Een quantumcomputer thuis
Of de Amsterdamse quantumcomputer door een Nederlands bedrijf gebouwd zal worden is nog niet zeker. Ook andere Europese bedrijven kunnen reageren op de aanbesteding. De Delftse start-up Groove Quantum, waarvan Zwerver mede-oprichter is en Vandersypen adviseur is, is van plan mee te dingen. Het lijkt er nu op dat ze in de zomer van 2025 zullen horen of hun quantumcomputer in Amsterdam komt te staan.
Betekent dit dat we over een paar decennia allemaal een quantumcomputer thuis hebben staan? Zwerver denkt van niet. „Het zal eerder een toevoeging of een vervanger zijn voor supercomputers. Je hebt er dan wereldwijd maar een paar nodig waar je als wetenschapper of bedrijf op afstand kunt inloggen om je berekeningen uit te laten voeren”, zegt ze. „Maar misschien zit ik ernaast. Jaren geleden leken de computers waarmee we nu in onze broekzak rondlopen ook supercomputers. Nu gebruiken we die om foto’s van ons eten op Instagram te zetten.”
