Delftse eindsprint met nieuw quantumlab

Binnen zes jaar is de quantumcomputer wetenschappelijk gezien klaar. Dat is de ambitieuze doelstelling van een nieuw Nederlands quantumcomputerlab dat in november zijn deuren opent in Delft.

Leo Kouwenhoven legt aan lezers van New Scientist uit hoe een quantumcomputer werkt. (Foto: Aschwin Tenfelde)

Een fraai chalet in Zwitserland, een luxe jacht, drie Formule 1-wagens van McLaren of het laatste zetje richting een heuse quantumcomputer – dat is wat je kunt kopen voor zo’n 15 miljoen euro. Hoewel de meeste van die speeltjes niet zullen misstaan op de gemiddelde miljonairsbeurs, vallen ze allemaal in het niet bij de belofte van de quantumcomputer.

De toekomstige quantumcomputer staat op het punt onze digitale wereld compleet overhoop te gooien. Het nieuwe rekenbeest heeft heel veel meer rekenkracht dan zelfs de allersterkste supercomputer. De huidige computers kunnen nog net het gedrag nabootsen van een quantumcomputer die is uitgerust met dertig qubits, de quantumversie van de nullen en enen van digitale informatie.

De quantumcomputer van de toekomst heeft echter niet slechts dertig qubits, maar duizend, honderdduizend, een miljoen of nog veel meer. De toename in rekenkracht ten opzichte van klassieke computers is dan ongekend. Fysici gebruiken een rekenregel om de kracht van quantumcomputers in klassieke bits uit te drukken. Die stelt dat qubits samen het rekenvermogen hebben van 2ⁿ klassieke bits, waarin ‘n’ staat voor het aantal gebruikte qubits. Met andere woorden: een quantumcomputer met duizend qubits heeft een rekenkracht die te vergelijken is met 2¹⁰⁰⁰ klassieke bits. Die hoeveelheid is vele malen groter dan het aantal deeltjes in het universum.

Het is dan ook niet vreemd dat fysici, informatici en ICT-giganten als Microsoft en IBM ervan dromen de mogelijkheden van zo’n quantumcomputer eindelijk te kunnen benutten. Daarom klopte een groep fysici onder leiding van de Delftse onderzoeker Leo Kouwenhoven aan bij de European Research Council (ERC) om geld in te zamelen waarmee zij die quantumdroom kunnen verwezenlijken. Ze gingen de strijd aan met zo’n 700 andere wetenschappers en onderzoeksgroepen. Uiteindelijk hadden ze beet, en mochten ze samen met tien anderen een megabeurs in ontvangst nemen.

De 15 miljoen die ze ontvingen, investeren ze nu in een nieuw quantumcomputerlab aan de TU Delft, dat op 1 november zijn deuren opent. ‘De ERC-subsidie wordt gebruikt voor apparatuur, maar vooral voor mensen’, zegt theoretisch-fysicus Carlo Beenakker van de Universiteit Leiden, die met Kouwenhoven in het nieuwe lab samenwerkt. ‘De subsidie gaat vooral naar de studenten die het werk echt gaan doen, als onderdeel van hun promotieonderzoek of als vervolgtraining na hun promotie.’

De onderzoekers zullen werken aan een zogeheten schaalbare quantumcomputer. Dat wil zeggen: een testversie van een quantumcomputer die wetenschappelijk gezien helemaal af is, maar nog minder bits heeft dan de gewenste eindversie. De bedoeling is dat die computer vervolgens opgeschaald zal worden naar een grotere versie met meer bits – het is aan de wetenschap of aan commerciële computerbedrijven om die laatste stap te zetten.

Wereldrecord

De testcomputer die in het nieuwe lab tot stand moet komen, zal zeventien qubits tellen. Dat is nog niet genoeg om de rekenkracht van de klassieke supercomputer naar de kroon te steken, maar het aantal samenwerkende qubits is desondanks een wereldrecord. Belangrijker is dat de onderzoekers die processor kunnen opschalen naar duizend, of een miljoen qubits – aantallen waarmee de rekenvermogens van klassieke computers wel ver voorbij worden gestreefd. Dat opschalen kost vermoedelijk nog wat praktische hoofdbrekens, maar de wetenschappelijke en technologische basis is tegen die tijd gelegd. ‘We hopen de volledig werkzame zeventien-qubit-processor en het bewijs van zijn schaalbaarheid over zes jaar te hebben’, zegt Leo Kouwenhoven.

Als het Kouwenhoven en collega’s lukt deze schaalbare quantumcomputer te maken, boeken zij een doorbraak waar de wereld al sinds 1981 op wacht. In dat jaar opperde de beroemde fysicus Richard Feynman voor het eerst het idee dat je de vreemde eigenschappen van de quantummechanica kunt uitbuiten om ingewikkelde berekeningen te doen.

De ongekende rekenkracht van quantumcomputers ligt besloten in twee van de meest bizarre eigenschappen van de quantummechanica: superpositie en verstrengeling. Superpositie is een fenomeen waardoor een voorwerp of deeltje twee eigenschappen kan hebben die elkaar normaal gesproken uitsluiten, maar die volgens de formules van de quantummechanica prima tegelijk kunnen bestaan. Een deeltje kan daardoor op twee plaatsen tegelijk zijn. Op vergelijkbare wijze kan een qubit niet alleen ‘0’ of ‘1’ zijn, maar ook ‘0’ en ‘1’ tegelijk.

Verstrengeling vergroot de quantumrekenkracht (Klik om te vergroten)

Die eigenschap suggereert al dat quantumcomputers efficiënter kunnen rekenen, maar de doorslag wordt gegeven door de tweede eigenschap: verstrengeling. Wanneer twee deeltjes verstrengeld raken, delen zij automatisch hun quantumeigenschappen. De waarde die de ene qubit kan aannemen is daardoor afhankelijk van de waarde van de ander. Bovendien delen verstrengelde deeltjes en qubits ook hun superposities, zodat een enkele superpositie ontstaat van alle mogelijke combinaties van de waarden van de losse qubits samen.

In het voorbeeld van twee qubits zijn dat vier (oftewel: 2ⁿ, met n = 2) opties. De opties zijn ‘00’, ‘01’, ‘10’ en ‘11’. De twee qubits zitten dankzij de combinatie van verstrengeling en superpositie in al die vier toestanden tegelijk. Wie vervolgens een berekening loslaat op een van beide qubits, rekent daardoor meteen ook met de andere qubit. Datzelfde principe geldt niet alleen voor twee, maar ook voor tien, honderd of duizend qubits. Al die verstrengelde qubits samen gaan zich daardoor gedragen als een enorm sterke parallelle processor. Dat is de bron van de enorme rekenkracht van de quantumcomputer.

Fragiel

Met zo’n hoeveelheid rekenkracht is heel veel mogelijk. Hoewel je met een quantumcomputer niet sneller een filmpje kan afdraaien op internet, biedt de computer wel een hoop mogelijkheden voor toepassingen die de grote parallelle rekenkracht van de computer vereisen. Bekende voorbeelden daarvan zijn het doorzoeken van enorme databases, het kraken van cryptografische codes en het simuleren van zeer complexe systemen, zoals de exacte manier waarop bloed door het menselijk lichaam stroomt of een zeer nauwkeurige simulatie van het weer op aarde.

Hoewel verstrengelde qubits in een gedeelde superpositie enorm veel rekenkracht leveren, heeft diezelfde gedeelde superpositie ook nadelen. ‘Hoe meer deeltjes je hebt voor zo’n gezamenlijke superpositie, hoe fragieler het systeem wordt’, zegt Kouwenhoven. Daardoor leken grote quantumcomputers met veel qubits lange tijd praktisch onhaalbaar. Een enkele fout in het systeem heeft dankzij de verstrengeling immers invloed op alle qubits. Met meer qubits is de kans bovendien groter dat een van die qubits een fout bevat.

Daarom is het voor elke quantumcomputer belangrijk dergelijke fouten zoveel mogelijk buiten de deur te houden. Fouten kunnen daarbij overigens van alles zijn. Soms is een fout een verstoring in het systeem die ontstaat als qubits per ongeluk verstrengelen met de omgeving, en zo hun informatie verliezen. Fouten kunnen ook het systeem insluipen wanneer de onderzoekers de quantumcomputer niet perfect kunnen controleren en uitlezen. ‘Al die fouten worden op dezelfde manier behandeld’, zegt Ronald Hanson, quantumfysicus aan de TU Delft.

In de loop der jaren is in het quantumcomputeronderzoek zelfs een nieuwe tak van sport ontstaan die zich er volledig op toelegt dergelijke fouten op te sporen en te verbeteren. Om quantuminformatie te beschermen tegen fouten, begonnen fysici de informatie uit een qubit te spreiden over meerdere qubits. In vakjargon zeggen fysici dan dat al die qubits samen ‘encoderen’ voor één enkele ‘logische qubit’. Met andere woorden: waar eerst een enkele qubit ‘1’ of ‘0’ was, werden na spreiding 3, 5 of 6 qubits samen ‘1’.

‘Je kunt dan de toestanden gaan vergelijken’, zegt Hanson, die samen met Kouwenhoven en twee anderen verantwoordelijk is voor het onderzoek in het nieuwe quantumlab. Bij een systeem waarin drie qubits samen een qubit aan informatie bevatten, is dat simpel: kijk of een van de bits afwijkt van de andere twee. Is dat het geval, dan verbeter je die ene bit.

Dat principe helpt bij een systeem met drie qubits die samen coderen voor een logische qubit alleen als er maximaal één qubit per ronde fout gaat. Gaan er twee fout, dan denk je dat de enige goede een fout heeft opgelopen en ga je die corrigeren. ‘Dan is je quantuminformatie verloren’, zegt Hanson. Kortom: die methode van foutencorrectie werkt in het algemeen alleen als de kans heel klein is dat meerdere qubits fouten bevatten in een groepje die samen encoderen voor één logische qubit.

In simulaties bleek dat echter nauwelijks het geval. Quantumcomputers die met deze correctiemethode hun quantuminformatie probeerden te beschermen, bleken te blijven werken als er maximaal grofweg 1 op de 10.000 keer een fout in het systeem sloop. Dat zorgde er in de praktijk voor dat quantumcomputers heel klein moesten blijven en slechts uit enkele qubits konden bestaan. Gebruikten de onderzoekers meer qubits dan werd de kans dat er in al die qubits vaker dan 1 op de 10.000 keer iets fout ging al snel te groot.

Donuts

Om een quantumcomputer te maken die wetenschappelijk gezien af is, moest dus een nieuwe methode worden verzonnen. De voorzet daartoe gaf theoretisch-fysicus Alexy Kitaev in 1998 met een artikel op de wetenschappelijke voorpublicatiesite ArXiv. In dat artikel lanceerde hij samen met zijn collega Sergey Bravyi het idee van een zogeheten topologische qubit.

(klik om te vergroten)

Een topologische qubit is een logische bit die door zijn vorm van nature is beschermd tegen kleine vervormingen. De reden daartoe ligt besloten in een van de vaker gehoorde grapjes onder wiskundigen: dat koffiekopjes en donuts topologisch voorbestemd zijn bij elkaar te horen. Wanneer je namelijk een koffiekop vervormt – door die alleen op te rekken, in te krimpen of te verdraaien, maar zonder de vorm stuk te maken – kun je er een donut van maken (zie grafiek hierboven). In de wiskunde zegt men dan dat die twee vormen topologisch gelijkwaardig zijn.

Diezelfde robuustheid wilde Kitaev in een quantumcomputer inbouwen. Hij wilde dat voor elkaar krijgen door de groep qubits die samen één qubit aan logische informatie encoderen in de vorm te leggen van een torus (het wiskundige figuur dat er net zo uit ziet als een donut).

‘Een fout is alleen schadelijk als het de toestand van de logische qubit verandert’, zegt Hanson. De truc is daarom ervoor te zorgen dat fouten in qubits niet meteen een fout op de logische qubit opleveren. Kitaev bewees dat dat in theorie kan met qubits in de vorm van een donut, maar in de praktijk was dat niet haalbaar. ‘Niemand gaat een chip in de vorm van een donut bouwen’, aldus Hanson, omdat het heel moeilijk is op kleine schaal een perfecte torus na te bouwen.

Toch bleek het inzicht van Kitaev wel te vertalen naar de praktijk. Kouwenhoven realiseerde zich dat voor het eerst twee jaar geleden, toen onderzoekers van het quantumcomputerlab van ICT-gigant Microsoft een nieuwe manier van foutcorrectie presenteerden. Dat nieuwe principe inspireerde Kouwenhoven en zijn collega’s om quantumcomputers in het lab te kunnen beschermen tegen fouten. Het resultaat was een nieuwe methode van foutencorrectie, die theoretisch-fysici de surface code noemen. De surface code gaat uit van dezelfde soort topologische bescherming als het donutidee van Kitaev. ‘Met de surface code blijkt dat we 1 op de 100 keer iets fout kunnen doen, in plaats van 1 op de 10.000 keer’, zegt Hanson. ‘Dat komt nu voor het eerst binnen bereik. Als dat lukt, kun je de quantumcomputer ook opschalen naar een miljoen qubits.’

Waar de grenzen aan die verhoging van de kracht van de foutcorrectie liggen, is op dit moment nog niet bekend. ‘Dat is een van de wetenschappelijke componenten van dit project’, zegt Hanson. Het probleem is dat je fouten wel kunt simuleren door een quantumcomputer te simuleren, maar als je meer qubits gaat gebruiken dan ongeveer 30, dan kun je dat op een normale computer niet meer nabootsen. Bij, pak ’m beet, duizend qubits weet daarom niemand nog zeker of de surface code nog wel werkt.

Vlak

Zelfs in het voortraject, met zeventien qubits, is er echter al werk aan de winkel. Hanson: ‘Met de zeventien qubits kunnen we de grenzen nog niet verleggen, maar we kunnen wel de rekenmodellen naast elkaar leggen. De simulaties waarin ze bij Microsoft de surface code hebben getest, bevatten aannames. Die moeten we eerst in de praktijk toetsen.’

De crux van de surface code is dat de topologische bescherming die een donut biedt nu ook haalbaar is in een plat vlak. Dat lijkt op het eerste gezicht lastig, omdat de vorm van beide dingen fundamenteel verschilt. ‘In een torus kun je alle kanten op en kom je weer op je oorspronkelijke positie uit’, zegt Hanson. ‘In een plat vlak beweeg je altijd van een rand af en naar een andere rand toe.’ De code bevat echter algoritmen die het gedrag van informatie op een torus vertalen naar een plat vlak. Het zorgt er bijvoorbeeld voor dat als informatie naar de rand beweegt, het dan aan de andere kant weer verschijnt.

De topologische bescherming zorgt er – in het geval van een rooster met qubits in een plat vlak – voor dat vrijwel alle fouten aan individuele qubits geen fout veroorzaken aan de logische bit die zij gezamenlijk encoderen. Uit de achterliggende wiskunde blijkt dat een aantal typen fouten wel schadelijk zijn, bijvoorbeeld wanneer tegelijk een hele rij of hele kolom qubits in het rooster een fout bevat. Dat soort fouten zijn echter zeer zeldzaam. Daardoor durven de onderzoekers te beweren dat het rooster samen met de achterliggende software een uitstekende bescherming biedt tegen fouten die ook de logische qubit veranderen. De bescherming is zelfs zo goed dat de informatie in de logische qubits beschermd blijft zolang er in alle gewone qubits minder dan 1 op de 100 keer iets fout gaat.

Hulpqubits

Toch kleeft er ook een nadeel aan die vorm van foutcorrectie. Het zorgt er namelijk voor dat er heel veel qubits nodig zijn om de informatie te beschermen – en die qubits had je anders kunnen gebruiken om gegevens in op te slaan en om mee te rekenen. De zeventien qubits die Hanson, Kouwenhoven en collega’s in het lab gaan laten samenwerken, bevatten samen namelijk slechts informatie voor één logische qubit.

Van de zeventien qubits zijn er negen qubits met gegevens. Die liggen in een vierkant rooster van drie bij drie qubits en encoderen samen voor de logische bit. De overige acht bits zijn ‘hulpqubits’ die worden gebruikt om de andere qubits te controleren en bij een fout eventueel te corrigeren. Die hulpqubits zijn nodig omdat je bij foutencorrectie niet zomaar kunt vragen wat de toestand van een qubit is. Een onhandige eigenschap van quantuminformatie is namelijk dat wanneer je het meet, het direct zijn eigenschappen verliest. Als je een qubit meet, zul je altijd of de waarde ‘0’, of de waarde ‘1’ terugkrijgen – nooit beide tegelijk.

Hanson: ‘Daarom gebruikt de surface code hulpqubits die aan vier qubits met gegevens verbonden zitten. Die kijken of de toestand van de andere qubits hetzelfde is, of dat er een of twee anders zijn.’ Wanneer een hulpqubit meldt dat er iets mis is met één van de vier qubits, weten de fysici echter nog niet om welke qubit het dan gaat.

Daarom zit elke hulpqubit niet alleen vast aan vier gewone qubits, maar zit elke qubit ook vast aan vier hulpqubits. ‘Op die manier krijg je een heel rooster, zodat minstens twee hulpqubits het melden als één qubit fout is’, aldus Hanson. Alle hulpqubits sturen de antwoorden daarvan door naar een klassieke computer die dat patroon vergelijkt en de foute qubits opspoort om te verbeteren.

In de surface code die de nieuwe quantumcomputer gaat gebruiken, is per echte qubit grofweg ook een hulpqubit nodig. Meer hulpqubits geeft in sommige situaties nog betere resultaten, maar zorgt er ook voor dat je systeem nog ingewikkelder wordt. Daarom zoeken de onderzoekers nu naar de ideale combinatie tussen bescherming en hoeveelheid benodigde qubits.

In het lab proberen de fysici namelijk ook een technische sprong vooruit te maken. Dat doen zij door voor het eerst een handige manier te bedenken waarop veel qubits fysiek in staat zijn met elkaar te praten. ‘Wanneer twee qubits wisselwerking met elkaar hebben, moet je de superposities aan en uit kunnen zetten’, zegt Kouwenhoven. Daarvoor zijn draadjes nodig die de qubits op elkaar aansluiten. Die draadjes en qubits nemen ruimte in en moeten ook nog eens op de juiste plek zitten.

‘Ook in de huidige informatica is het een probleem waar je alle transistors en hun onderlinge verbindingen kwijt moet’, zegt Kouwenhoven. Voor de quantumcomputer heeft hij daar nu iets op gevonden. ‘Dat is een grote doorbraak. Dergelijke quantumsystemen bestaan voor zover we weten niet in de natuur.’

Volgens Kouwenhoven werd de oplossing letterlijk op de achterkant van een enveloppe bedacht. ‘Maar we hebben het uiteindelijk wel gecheckt en iemand van Microsoft heeft computersimulaties gedaan. Die heeft een supercomputer geprogrammeerd alsof het een quantumcomputer met 32 bits is.’

De doorbraak is een omslag in het denken rond quantumcomputers. Was men jaren bezig alles kleiner te maken, daar bleek de oplossing nu te liggen in het groter maken van de verbindingen. De qubits kunnen fysiek verder uit elkaar staan omdat de fysici een fysiek, supergeleidend draadje hebben ontwikkeld dat veel beter in staat is dan eerdere draadjes om de informatie foutloos tussen verschillende qubits te vervoeren. ‘Daardoor kunnen de bits verder uit elkaar zitten en is er ook ruimte voor de controledraden’, zegt Kouwenhoven.

Volgens hem volgt iedereen die nu serieus aan een schaalbare quantumcomputer werkt, hetzelfde stramien als zij: foutcorrectie met de surface code en qubits die verder uit elkaar staan zodat er ruimte ontstaat voor het draadwerk. ‘IBM, Microsoft, de Amerikaanse defensie – alle spelers gaan op dezelfde manier richting een quantumcomputer en gebruiken grotendeels dezelfde aanpak’, zegt Kouwenhoven.

Concurrenten

‘Leo Kouwenhoven behoort tot de allerbesten in de experimentele wereld en zijn onderzoek heeft iedereen in dit vakgebied geïnspireerd’, zegt Micheal Freedman, die bij Microsoft de leiding heeft over het quantuminformatielab Station Q. ‘Ik heb zelf enorm veel opgestoken van mijn discussies met hem’.

Ondanks dat Station Q wordt gerund door een commercieel bedrijf, is het doel van Freedman niet om net als in Delft zo snel mogelijk een quantumcomputer van de band te laten rollen. ‘Het is absoluut goed om je handen uit de mouwen te steken en te proberen om quantuminformatie op steeds grotere schalen te manipuleren’, zegt Freedman. ‘Maar mijn doel is om volledig te begrijpen hoe de topologische bescherming van qubits werkt, een onderwerp waar Kouwenhoven veel kennis aan heeft bijgedragen. Mijn doel is dus niet om zo snel mogelijk vooruitgang te boeken met een oplossing die nog niet perfect is, hoe waardevol dat ook kan zijn.’

Dat is niet het enige verschil tussen het nieuwe lab in Delft en zijn handjevol concurrenten. ‘Andere groepen hebben gekozen voor één type qubit’, zegt Kouwenhoven, ‘maar wij kiezen voor vier typen qubits.’ Voor elk van die vier mogelijke opties voor bruikbare qubits loopt in Delft een ervaren expert rond (zie verhaal Bouwstenen van de quantumcomputer).

Op korte termijn zijn de ambities van de onderzoekers duidelijk. ‘We willen fysiek veel qubits bouwen en we willen minder dan één op de honderd fouten’, zegt Hanson. ‘Na zes jaar willen we een basisdemonstratie geven. We gaan voor zeventien qubits. Dan hoef je die straks nog maar 10.000 keer te kopiëren’, zegt hij.

Ook daarna blijven de ambities groot. Na de schaalbare quantumcomputer wil het lab de vervolgstappen eveneens zo snel mogelijk nemen. ‘In 2020 willen we een schaalbaar quantuminternet hebben, waarmee je op een veilige manier informatie kunt versturen’, zegt Kouwenhoven.

Vijf jaar later, in 2025, moet in Delft de eerste quantumcomputer staan die ‘groot genoeg is om problemen op te lossen die gewone computers niet aankunnen’. En in 2030 moet het allemaal af zijn. Kouwenhoven: ‘Dan willen wij een universele quantumcomputer hebben die algemene quantumalgoritmen kan draaien.’

Of die computer het op de gemiddelde miljonairsbeurs net zo lekker doet als een luxe jacht, een snelle auto of mooie villa valt nog te bezien. Zeker is wel dat de geboorte van die quantumcomputer onze digitale wereld vol nullen en enen volkomen op zijn kop zal zetten.

Dit verhaal is eerder verschenen in New Scientist en was deel van een dossier over quantumcomputers. Lees hier het andere verhaal uit dat dossier, over de qubits – de bouwstenen van de quantumcomputer – waar in dit nieuwe quantumlab aan gerekend wordt.