Kwantumcomputers zijn geen verre toekomst meer, maar hoe gaan we ze gebruiken?

Onderzoek naar kwantumtechnologie maakt indrukwekkende vooruitgang, maar praktische toepassingen blijven achter. Vanaf wanneer zijn kwantumcomputers op grote schaal inzetbaar en welke problemen zullen ze oplossen?

Enkele jaren geleden was kwantumtechnologie het hot topic in de technologiewereld. Er werd gezwaaid met doorbraken in onderzoek en het leek slechts kwestie van tijd vooraleer kwantumcomputers onze meest complexe problemen zouden oplossen. Vandaag is kwantum in de schaduw van generatieve AI komen te staan: na een recordjaar in 2022, daalden (private) investeringen in kwantumtechnologie met vijftig procent in 2023. De dollars die tot vorig jaar naar kwantumbedrijven gingen, worden nu in AI gepompt.

Experten die de industrie volgen roepen nog geen winter uit, maar moeten wel vaststellen dat het koeler is geworden in de kwantumwereld. De kloof tussen wat kwantumcomputers nu kunnen en de noden waar bedrijven mee zitten, blijft (te) groot. Hoe staat het met kwantumtechnologie en wat brengt de nabije toekomst? We meten de temperatuur op met dr. Heike Riel, hoofd van het kwantumonderzoeksteam van IBM in Europa.

Oplossing zonder probleem

Riel moet meteen onze verwachtingen temperen. “Voorlopig hebben we quantum advantage nog niet bereikt. Dat betekent dat kwantumcomputers nog niet doen wat klassieke supercomputers niet kunnen. Er liggen heel veel opportuniteiten die we nog niet weten: het is eerder een kwestie van het juiste probleem te vinden voor kwantumcomputers. Soms denken we dat een probleem niet kan worden opgelost omdat we dat zo gewoon zijn. Nieuwe technologieën leren ons anders denken.”

We trekken onze stoute schoenen aan en vragen Riel of we kwantumcomputers dan wel nodig hebben. De ontwikkeling en adoptie van exascale-computers voor praktische processen lijkt stukken verder te staan: kunnen zij kwantumcomputers overbodig maken?

“Exascale-computers verbruiken veel energie”, heeft Riel meteen een gevat antwoord klaar op die vraag. “Kwantumcomputers schalen anders en vereisen niet meer resources naarmate problemen toenemen in complexiteit. Complexe problemen kunnen in theorie sneller en efficiënter worden opgelost met kwantumtechnologie.”

Kwantum vs exascale: een muntje op zijn kant

Die stelling vereist een woordje technische uitleg. Kwantum- en exascale-computers verschillen fundamenteel in hoe ze berekeningen uitvoeren. Een exascale-computer werkt in de basis zoals een klassieke pc, met het verschil dat de meest krachtige supercomputer tot een quintiljoen berekeningen simultaan kan uitvoeren. Dat vereist echter heel wat computerkracht en energie.

Het is te vroeg om te zeggen wanneer we de eerste ‘bruikbare’ kwantumcomputer zullen hebben, maar het gaat vaak sneller dan we denken.

Heike Riel, Head of IBM Quantum Research Europe

Een kwantumcomputer pakt het anders aan en stapt af van de klassieke binaire-structuur. Qubits gedragen zich helemaal anders en kunnen een combinatie van alle mogelijke toestanden van een eenheid aannemen. Een voorbeeld dat het verschil tussen bits en qubits visualiseert, is een muntje opwerpen. In een binair systeem moet het muntje altijd op kop (1) of munt (0) neerkomen. Als het muntje een qubit voorstelt, kan het op alle mogelijke manieren vallen om een geldige output te krijgen.  

Dit verhoogt de capaciteiten van qubits om informatie te verwerken in vergelijking met bits. Kwantumcomputers doen daarvoor beroep op een andere fysische eigenschap van de deeltjes: verstrengeling. Quantumdeeltjes hebben het vermogen te verstrengelen tot één systeem waarbij de deeltjes elkaar beïnvloeden. Hoe meer deeltjes met elkaar verstrengeld zijn, hoe hoger de rekencapaciteiten van de kwantumcomputer.

Foutencorrectie

Het samenvloeien van de qubits kan ook een andere reactie uitlokken die voorlopig de grote achilleshiel blijkt te zijn van kwantumcomputers: inferentie. De eerste kwantumcomputer die honderd procent betrouwbaar is, moet nog uitgevonden worden, erkent Riel. “Voorlopig zit er nog te veel ruis in de resultaten van kwantumcomputers. Foutencorrectie is een stuk moeilijker omdat je de output niet kan kopiëren.”

Riel bespreekt verschillende technieken die IBM toepast om de foutenlast zo laag mogelijk te houden. “Error suppression probeert fouten zo dicht mogelijk bij de hardware op te lossen door de fysische toestand van qubits te wijzigen. Bij error mitigation vertrekken we vanuit de overhead om resultaten te verbeteren. In plaats van fouten te ‘maskeren’, vergroten we ze net intentioneel uit om te zien wat er fout gaat en waarom.”

Een volgende stap is error correction. Riel: “Hier loopt vandaag veel onderzoek naar. Hoeveel qubits nodig zijn om fouten te verbeteren, is nog een open vraagstuk. Om error correction mogelijk te maken, zal ook betere hardware en software nodig zijn.”

IBM lanceerde eind vorig jaar Heron, zijn meest geavanceerde kwantumprocessor tot nu toe. De 133-qubit chip is onder meer voorzien van ‘afstembare koppelaars’ om de interactie tussen qubits beter te sturen om de kans op interferentie verder te verkleinen. Maar het is Microsoft dat claimt de eerste ‘foutloze’ kwantumcomputer ontwikkeld te hebben.

Data die je vandaag verzamelt en beveiligt, kan in de toekomst alsnog gedecodeerd worden met kwantumcomputers.

Heike Riel, Head of IBM Quantum Research Europe

Kwantum in de praktijk: verre toekomstdroom of nabije realiteit?

De grote doorbraak van kwantumcomputers zou wel eens dichterbij kunnen zijn dan we denken, klinkt Riel hoopvol. IBM bereikte vorig jaar een doorbraak rond quantum utility die kwantumcomputers, met al hun imperfecties, weer een klein stapje dichter naar de ‘echte’ wereld brengt. De paper werd gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature.

We zijn geen academici, dus Riel vertelt ons in een notendop wat we moeten leren uit die paper: “De studie vergelijkt het dynamische gedrag van kwantumcomputers met supercomputers. Het gaat voor alle duidelijkheid om een simulatie, maar de kwantumcomputer kon berekeningen uitvoeren die voor een exascalecomputer met brute force-methoden niet mogelijk zouden zijn.”

“Het is nog te vroeg om te zeggen wanneer we de eerste ‘bruikbare’ kwantumcomputer zullen hebben, maar het gaat vaak sneller dan we denken”, vervolgt Riel. “Er lopen nog meerdere experimenten met 100 qubit-simulaties: dit is de grens van wat klassieke supercomputers aankunnen”.

“IBM heeft vandaag het grootste aantal actieve kwantumcomputers wereldwijd, waarvan twee in Europa. We stellen onze kwantumtechnologie open via de cloud. Met werkgroepen uit verschillende disciplines zoals gezondheidszorg en deeltjesfysica, onderzoeken we praktische gebruikstoepassingen van kwantumcomputers in hun sector. Kwantumcomputers kunnen mogelijk ook een belangrijke bijdrage leveren in de aanpak van de klimaatproblematiek.”

Wat met encryptie?

De naderende komst van kwantumcomputers zorgt voor veel mogelijkheden, maar baart beveiligingsexperten tegelijkertijd toch enige zorgen. Kwantumcomputers zullen mogelijk in staat zijn om hedendaagse encryptiesleutels te kraken, zelfs standaarden waar de meest krachtige supercomputers niet tegen opgewassen zijn. Ook Riel benadrukt het belang daar nu al op voorbereid te zijn.

“Data die je vandaag verzamelt en beveiligt, zouden in de toekomst alsnog kunnen gedecodeerd worden. Wij willen onze rol opnemen in het beveiligen van ‘klassieke’ technologie door code en algoritmen te ontwikkelen die niet door kwantumcomputers te breken zijn. Dat bieden we vandaag al voor mainframes en storagediensten om data in de toekomst te beschermen”, aldus Riel.

Kwantumtechnologie mag dan voor even van het voorplan verdwenen zijn, de technologische ontwikkeling staat niet stil. Gebruikt jouw bedrijf binnenkort kwantumcomputers? Het lijkt minder futuristisch dan het klinkt, al zeggen we dat al enkele jaren.