‘Kwantumcomputers’ duiken vaak op als een soort ‘magische machines’. Ze werken niet met bits, maar met kwantumbits of qubits, en zouden de beste supercomputers kunnen verslaan. Maar wat betekent dat nu juist? En, ‘kwantum’, is dat echt zo onbegrijpelijk als het klinkt?
Wat zijn juist kwantum- en supercomputers?
Een supercomputer is een computer met superieure rekenkracht. Het is een klassieke computer, maar eentje die veel sneller is dan wat je typisch in huis hebt en biljarden berekeningen per seconde kan doen. Klinkt goed, maar het kan beter. Kwantumcomputers kunnen sommige berekeningen zelfs doen in minuten waar een ‘gewone’ supercomputer 10,000 jaar over zou doen. Daar zit ook meteen het addertje onder het gras: ‘sommige berekeningen’. Kwantumcomputers en supercomputers zijn geen concurrenten van elkaar. Ze worden beide gebouwd om andere problemen aan te pakken.
Kan ik een kwantumcomputer gebruiken om bijvoorbeeld sneller bestanden te downloaden?
Nee, kwantumcomputers zijn in de eerste plaats niet bedoeld om huis-, tuin- en keukenproblemen op te lossen. Ze zijn wel uiterst geschikt voor een specifieke set problemen. Meer bepaald degene waar klassieke computers het moeilijk mee hebben omwille van geheugen, snelheid of parallellisatie. Een kwantumcomputer is bijvoorbeeld heel goed in patronen herkennen. Deze eigenschap kan gebruikt worden onder andere om weermodellen en voorspellingen te maken, maar ook bijvoorbeeld om de optimale routes te berekenen in de logistiek. Kwantumcomputers zullen ook een grote rol krijgen in de farmaceutische industrie voor geneesmiddelenontwikkeling waar er gekeken wordt naar hoe deeltjes (zoals proteïnen) met elkaar interageren. Net vanwege de complexiteit van alle interacties is het voor klassieke computers erg moeilijk om simulaties van de werking van de deeltjes te maken, maar niet voor een kwantumcomputer.
Wat is er zo speciaal aan kwantumcomputers?
Kwantumcomputers werken niet volgens de klassieke telregels, maar tappen hun regels uit een heel ander vaatje: dat van de kwantummechanica. De kwantummechanica beschrijft de interacties van kleine deeltjes (kwanta) op (sub)atomaire schaal. De wetten die op deze schaal gelden zijn bizar en voor velen erg complex. Zo zou het in de kwantumwereld bijvoorbeeld perfect mogelijk zijn om tegelijkertijd naar een leuk feestje te gaan en thuis gezellig Netflix te kijken. Deeltjes zoals qubits –de informatiedragers in een kwantumcomputer– kunnen in meerdere toestanden tegelijk vertoeven; een eigenschap die superpositie genoemd wordt. Bovendien beïnvloedt de toestand van het ene deeltje die van het andere, wat verstrengeling genoemd wordt. Het zijn deze eigenschappen die het mogelijk maken om sommige berekeningen exponentieel sneller te laten verlopen. Parallelle berekeningen gaan een heel pak vlotter door de mogelijkheid van ‘superpositie’: meerdere antwoordpistes kunnen tegelijk verkend worden. Door verstrengeling van deeltjes kan je dan weer de verwerkingskracht van de computer exponentieel opdrijven.
Wat zijn die qubits juist?
In principe kan elk systeem dat zich in twee toestanden kan bevinden, gebruikt worden als qubit. Zo zijn er in de natuur verschillende te vinden. Bijvoorbeeld een elektron, een geladen deeltje dat een spin en een lading heeft. De spin kan vergeleken worden met een noord- en zuidpool van een magneet. Als je een elektron in een magnetisch veld plaatst, kan je deze spin manipuleren om zich omhoog of omlaag –naar noord of zuid– te richten. De staat ‘spin omhoog’ of ‘spin omlaag’ kan je dan vergelijken met de staten ‘0’ en ‘1’ in een klassieke computerbit.
Hoeveel qubits heb je nodig om een kwantumcomputer te maken?
Dat is de hamvraag, en er is geen eenduidig antwoord op. De beste kwantumcomputer die we nu hebben, werkt op zo’n 50 qubits en kan daarmee de klassieke computers overtreffen voor bepaalde (en op dit moment nog nutteloze) problemen. Men veronderstelt dat de beste supercomputers nog kunnen wedijveren met 50 tot 60-qubit kwantumcomputers. Echter, voor de meest geavanceerde toepassingen loopt het getal waarschijnlijk op tot in de honderdduizenden of zelfs miljoenen. Bovendien hangt alles ook af van de kwaliteit van de qubits. In principe kan je leven met qubits die af en toe een foutje maken, zolang je er andere hebt om die foutjes te corrigeren. Hoe beter de qubits zijn, hoe minder je er moet opofferen om fouten te corrigeren. Dan spreken we over volledig foutloze qubits, maar daar zijn we nog lang niet.
Wat is een goede qubit?
Zoals gezegd heb je misschien minder qubits nodig om een nuttige kwantumcomputer te maken als je beschikt over ‘goede qubits’. Wat zijn dat dan? Enkele vereisten zijn uniformiteit, controleerbaarheid en betrouwbaarheid. Het voordeel van uniforme qubits is dat ze eenvoudigere structuren toelaten. Nu heeft elke qubit een eigen zogezegde persoonlijkheid en heb je per qubit veel fysieke connecties nodig om al deze persoonlijkheden te controleren. Als je daarentegen 1000 voldoende gelijkaardige qubits hebt, zijn er ook minder controlelijnen nodig. Betrouwbaarheid kan uitgedrukt worden in coherentietijd. Na verloop van tijd verliezen qubits immers hun ‘kwantumheid’. Als je qubit bijvoorbeeld in de ‘1’ toestand start, zal deze na verloop spontaan vervallen naar een onbekende (en dus nutteloze) toestand. Hoe langer een qubit goed functioneert, hoe meer operaties je ermee kan uitvoeren voor de qubit gereset moet worden.
Kan ik een kwantumcomputer thuis installeren?
Waarschijnlijk niet. Zelfs al zou je een nuttig probleem hebben voor een kwantumcomputer, dan zijn er nog praktische overwegingen die dit moeilijk maken. Kwantumcomputers zijn namelijk heel groot. Het probleem is dat qubits een erg fragiel systeem zijn. Het energieverschil tussen bijvoorbeeld de twee spin-toestanden van een elektron ‘0’ (spin omhoog) en ‘1’ (spin omlaag) is zo klein dat het deeltje op kamertemperatuur niet gecontroleerd kan worden. De oplossing is om de qubits af te koelen tot temperaturen rond -273°C. Daar zijn speciale koelkasten voor nodig, zogenaamde cryogenica, en die zijn heel groot…. De qubits en omliggende circuits moeten slim gestapeld worden binnenin de cryogenica. Hoe meer qubits je in je supercomputer wil, hoe groter de koelkasten worden: zo groot als een kamer, zo groot als een voetbalveld,… noem maar op.
