Delftse onderzoekers maken kwantumcomputer mogelijk
Kwantumcomputers bieden ongekende rekenkracht en de eerste prototypes bestaan al. Intel heeft een 49qubit-testchip met de naam Tangle Lake gebouwd. Maar wat is een qubit en wat kunnen we werkelijk van kwantumcomputers verwachten? We vroegen het aan Leonardo DiCarlo van QuTech, een Nederlands onderzoekscentrum dat de Tangle Lake bestudeert.
QuTech is een geavanceerd onderzoekscentrum dat zich toelegt op kwantumcomputers en kwantuminternet. Het is een samenwerkingsverband van TU Delft en TNO. Het centrum werkt op basis van roadmaps die onder leiding staan van Roadmap Leaders waar Leonardo DiCarlo er een van is. In 2015 investeerde Intel 50 miljoen dollar in QuTech.
Doel is om tien jaar samen te werken aan onderzoek naar kwantumcomputers. Binnen deze samenwerking werd vorig jaar een 17qubit-testchip bij QuTech getest. Daar is begin dit jaar een 49qubit-testchip met de naam Tangle Lake bijgekomen. Let wel: een chip, geen processor. Leonardo: “Dat verschil is heel belangrijk. Als je iets een processor noemt, zeg je dat je een functionele 49qubit-computer hebt. Wij testen componenten om dat uiteindelijk mogelijk te maken, maar om nu al van een processor te spreken is niet juist.”
De verwachtingen voor kwantumcomputers zijn hooggespannen. Het zou mogelijk moeten zijn om immens grote priemgetallen te achterhalen in een fractie van de tijd die een normale computer nodig heeft. Dat zou communicatie veiliger kunnen maken omdat priemgetallen een hoofdrol spelen bij cryptografie. Het kan communicatie ook onveiliger maken omdat het (onder meer) brute-force-berekeningen van wachtwoorden sterk zou kunnen versnellen.
©PXimport
Buiten beveiliging om zou de rekenkracht van kwantumcomputers perfect in te zetten zijn voor kwantumsimulatie, waarmee chemie en nanotechnologie naar een hoger plan te brengen zijn. Ook zouden uitermate complexe zaken als het gedrag van atomen en deeltjes in een deeltjesversneller met behulp van kwantumcomputers gesimuleerd kunnen worden. Kortom, waar de rekenkracht van huidige computers tekortschiet, zouden kwantumcomputers uitkomst moeten bieden.
Maar waardoor is een kwantumcomputer potentieel zo snel? De ons bekende huis-tuin-en-keukencomputers werken met bits. Een bit heeft ofwel waarde 0, ofwel waarde 1. Een computer rekent door bits logisch te vergelijken en op basis daarvan de uitkomst te evalueren op nul of één; waar of niet waar. Zijn twee bits gelijk aan elkaar? Zijn twee bits verschillend van elkaar? Enzovoort.
Hoeveel bits er ook in een vergelijking meegenomen worden, dit principe blijft in stand. Een kwantumcomputer werkt fundamenteel anders. In tegenstelling tot een bit die 0 of 1 is, heeft een kwantumcomputer qubits. Het woord qubit is een samenstelling van het Engelse quantum en bit. Een qubit is gelijktijdig 0 én 1. Een staat die superpositie genoemd wordt.
Kwantumbits
Leonardo: “Kwantumcomputers benutten de voordelen van superpositie om informatie efficiënt te verwerken. In mijn lab koelen wij supergeleiders af tot temperaturen waarbij ze kwantumfenomenen gaan vertonen. Ze gaan in superpositie en worden dan gelijktijdig 0 en 1. Door dit bij meerdere kwantumbits te doen kunnen we bijvoorbeeld een 2qubit-systeem maken. Daarvoor geldt dat de qubits dan gelijktijdig 00, 01, 10 en 11 zijn.”
Het potentiele voordeel van kwantumcomputers zit in kwantumverstrengeling. Leonardo: “Je kunt alle mogelijk staten voorbereiden. Een voordeel is daarom dat met een kwantumcomputer een vorm van parallel rekenen mogelijk is. Stel dat ik met een 2qubit-systeem een probleem wil oplossen. In de niet-kwantumwereld moet ik een berekening dan vier keer uitvoeren, namelijk voor 00, 01, 10 en 11. In een kwantumsysteem bereid ik de invoer voor alle uitkomsten voor en hoef ik de functie maar één keer uit te voeren. Met een kwantumalgoritme doe je je voordeel met superpositie. Je bereidt verschillende invoeren gelijktijdig voor en kan dan de berekening parallel in één keer uitvoeren.”
©PXimport
Als deze in superpositie is, heeft een kwantumcomputer gelijktijdig alle mogelijke staten van zijn qubits. Zo heeft een 2qubit-kwantumcomputer die aan het rekenen gaat gelijktijdig vier staten, terwijl een binaire computer altijd maar één staat heeft. Nadat een functie (berekening) op de kwantumcomputer is losgelaten kan het resultaat bekeken worden. Door het resultaat te bekijken worden de mogelijkheden teruggebracht tot één uitkomst. Dat wordt een verval naar de klassieke staat genoemd. De uitkomst naar een klassiek systeem kan in bits nooit langer zijn dan het aantal qubits waarop de berekening gebaseerd is.
Een interessante uitdaging binnen kwantumcomputers zit in é én van de fundamentele eigenschappen van kwantummechanica: door iets te meten verander je datgene dat je meet. Kortom, als je een qubit zou uitlezen als een reguliere bit, dan verander je mogelijk de inhoud. In tegenstelling tot een ‘normale’ computer kun je daarom niet zomaar het geheugen lezen. Onderzoek naar kwantumcomputers richt zich daarom op oplossingen die om dit probleem heen werken.
Onderzoek naar kwantumfoutcorrectie
Bij QuTech wordt onder andere gewerkt met de Tangle Lake chip van Intel. Vorig jaar was dat een chip met 17 qubit. Dit jaar is er een 49qubit-chip bijgekomen. Met deze chips doen zij onderzoek naar kwantumfoutcorrectie. Ze proberen een techniek te demonstreren waarmee gegevens in de kwantumchip zo gecodeerd worden dat informatie beschermd is tegen de inherente fouten van het systeem. Leonardo: “De schoonheid van ons algoritme schuilt in wat we doen nadat we een functie hebben geëvalueerd. Wij transformeren de informatie zo dat de bits uiteindelijk door onze metingen niet veranderen.”
Leonardo: “Met deze techniek willen we bruikbaar kwantumgeheugen maken. Met de stap van 17 naar 49 qubit zijn betere prestaties mogelijk. Onze technologie demonstreert het belangrijke concept van kwantumfouttolerantie. Door redundantie in te bouwen kunnen we - ondanks imperfecte hardware - betere berekeningen maken. Voor ons is dat een belangrijke mijlpaal. We hebben nu met experimenten gedemonstreerd wat in theorie al aangetoond was. Dat is belangrijk. Zelfs met de beperkte hoeveelheid qubits die we nu maken, is de ontwikkeling van deze systemen heel complex.”
©PXimport
Foutcorrectie toepassen in een kwantumsysteem doet denken aan een vergelijkbare methode in een binair systeem. Binaire systemen kunnen werken met een pariteitscheck: de staat van een aantal bits wordt opgeteld en daar komt uit of ze samen 0 of 1 zijn. Dit resultaat wordt op een eigen plek vastgelegd. Verandert vervolgens onverwacht één van de opgetelde bits, dan verandert ook de uitkomst van de optelsom. Daarmee is waar te nemen dat er iets niet goed gegaan is.
Een vergelijkbaar principe gaat op bij kwantumberekeningen. Leonardo: “Bij kwantumfoutcorrectie voer je kwantumpariteitscontroles uit. Je vraagt aan een groep qubits om een gezamenlijke eigenschap. Hoeveel van jullie staan in staat 0 en hoeveel in staat 1? Staat er een even aantal in 0? Door de vraag collectief te stellen, en dat is het mooie, dwing ik de qubits antwoord te geven zonder de eigen staat te lezen.” Door op deze manier te werken wordt geen uitkomst op de vraag uitgelezen. De data vervalt niet terug naar een klassiek systeem. Dat maakt het mogelijk om de gegevens betrouwbaarder te maken zonder de superpositie te verliezen.
Kwantumcomputers hebben klassieke systemen nodig
Binnen het grotere geheel blijven binaire systemen ook bij kwantumcomputers een belangrijke rol spelen. Leonardo: “Voor een groot deel moeten we bij foutcorrectie van kwantumsystemen gebruikmaken van pariteitscontroles. We houden bij welke bits er uit de metingen komen en moeten aan de hand daarvan fouten zien en ze in de gaten houden. Dat zijn allemaal niet-kwantumberekeningen.
Aan een kwantumcomputer zit daarom ook een hoop klassieke, niet-kwantumelektronica gekoppeld. Wat een kwantumcomputer gaat doen moet aangegeven worden met algoritmes en signalen die in eerste aanleg niet kwantummechanisch zijn. Die gaan via software en architectuur naar de kwantumchip. Die chip verwerkt de gegevens en daar komen vervolgens metingen uit. Die moeten op hun beurt weer in realtime verwerkt worden door het klassieke systeem. Een kwantumcomputer is daarom niet alleen een volledige kwantumchip zoals Tangle Lake, maar ook een geavanceerd niet-kwantumsysteem dat die chip aanstuurt en de output begrijpt.”
Kwantumcomputers zijn inmiddels geen sciencefiction meer, maar de technologie staat nog wel echt in de kinderschoenen. Leonardo: “De systemen zijn er, maar ze zijn nog niet krachtig genoeg om er relevante problemen mee op te lossen. Ik vind het controleren van een compleet 49qubit-systeem om kwantumfouttolerantie te demonstreren al een ambitieus doel om mee te beginnen. Ik kan ook niet aangeven hoe lang de ontwikkeling daarvan gaat duren. Daarnaast heb ik ook de ambitie om deze chips zonder kwantumfoutcorrectie te gebruiken. Dat zijn twee grote uitdagingen. We bewandelen twee verschillende, maar parallelle, paden die gebruikmaken van dezelfde hardware.”
