Waar is kwantumcomputers? ‘Traditioneel computergebruik bereikt zijn grenzen’

Wat is de huidige stand van zaken op het gebied van quantum computing? Moet uw organisatie zich zorgen maken?

Rapporten over nieuwe ontwikkelingen op het gebied van kwantumcomputers komen steeds sneller binnen. In februari kondigde Fujitsu een samenwerking aan met de Technische Universiteit Delft in Nederland om gezamenlijk onderzoek te doen naar quantum computing. De technologie is al enkele jaren in ontwikkeling, maar tot nu toe vooral het domein van academisch onderzoek en grote technologiebedrijven, zoals IBM of Google, die quantumtechnologie nu in de cloud aanbieden.

Er is een goede reden waarom steeds meer bedrijven meedoen: berekenen. “Technologieën als AI vereisen enorme hoeveelheden rekenkracht”, zegt hij. Vivek Mahajan, Global CTO van Fujitsu, zei: “En traditioneel computergebruik bereikt zijn grenzen. Voor ons is quantum computing een mogelijke oplossing voor dit probleem.’

‘Als je Python kent, kun je quantumcomputers programmeren’

Hij benadrukt dat kwantumcomputers niet langer een soort vage toekomstdroom zijn voor bedrijven als Fujitsu. Hier zit een business case achter. “Ik geloof dat kwantumtechnologie een zeer grote impact kan hebben op het zakelijke potentieel van Fujitsu en op wat ons bedrijf de wereld te bieden heeft”, zegt Mahajan. “Er moeten nog enkele problemen worden opgelost, maar het potentieel is enorm.”

Dat potentieel ligt in de manier waarop kwantumcomputers dingen berekenen. In plaats van traditionele binaire bits die 0 of 1 aangeven, maakt zo’n computer gebruik van qubits. Deze kunnen een toestand van 0, 1 of beide aannemen (“overlapping” in het Engels). Dit geeft dit type computer veel extra mogelijkheden, maar ook een reeks obstakels die moeten worden overwonnen.

Nutsvoorziening

“Kwantumcomputing bereikt niveaus die we vijftig jaar geleden niet hadden kunnen voorzien”, zegt hij Dr. Heike RielIBM Fellow en hoofd van IBM Quantum Computing Research in Europa en Afrika. “We bevinden ons nu op het nutsniveau, waar we quantum computing kunnen gebruiken voor onderzoek en wetenschap, voorbij de klassieke ‘brute force’ computing, om de grenzen te verleggen van wat we daar kunnen doen”, legt hij uit.

Om dit punt te bereiken is een hele reeks processen samengekomen. Het ontwikkelen van geheel nieuwe technologie vergt werk, en dat begint bij de hardware. ‘Vanaf het begin zijn er een tiental verschillende vormen bedacht Qubit maken. Velen van hen zijn verlaten omdat ze niet allemaal kunnen worden uitgebreid”, zegt hij. Koen Bertelsoprichter van de QBee accelerator, twintig jaar hoogleraar aan de TU Delft, gespecialiseerd in quantum computing.

Een van de bekendste processen draait bijvoorbeeld om chips met ‘supergeleidende’ circuits. Dit zijn apparaten die tot een paar milli Kelvin daarboven werken’Absolute nulpunt‘Om goed te kunnen functioneren moet het gekoeld worden (-273,15 graden Celsius). Ze behoorden tot de eersten die door het grote publiek werden gezien. Startups en bedrijven werken ook aan andere qubit-technologieën, waaronder: kwantumstippenen fotonische en topologische apparaten.

‘Bij IBM werken we met… supergeleidende qubits, omdat deze technologie momenteel het meest geavanceerd is en voordelen biedt op het gebied van schaalbaarheid en snelheid”, zegt Riel. ‘Nu breiden we het uit. Wij werken aan de volledige stapel, van qubits, quantumprocessors, de elektronica eromheen, koelsystemen, software en algoritmen, tot toepassingen.’ Dat voor deze systemen en de bijbehorende koeling een volledig gespecialiseerde ruimte nodig is, behoort inmiddels tot het verleden, legt hij uit. ‘Ook deze systemen hebben de afgelopen jaren flinke vooruitgang geboekt. Wij gebruiken nu koeling met gesloten cyclus, en je kunt zo’n kwantumsysteem in een gewoon datacenter plaatsen. We bouwen ze zo dat ze betrouwbaar en stabiel zijn voor langdurig gebruik. Ze hebben een datacenter nodig met aangepaste infrastructuur, maar nu is de elektronica geminiaturiseerd om daar te passen.’

Klimmen

Het grootste probleem is, zoals gezegd, de uitbreiding van dit systeem. Meestal draait dit om twee dingen: het aantal qubits dat een chip bevat en het aantal ‘poorten’. Dat kwantumpoorten Ze lijken min of meer op de ‘logische poorten’ in traditionele computers (Not, And, Or), zij het met meer unieke functionaliteiten, gebaseerd op kwantumfenomenen. Een belangrijke factor is het hebben van meer qubits en poorten op een chip. IBM was bijvoorbeeld afgelopen december de eerste die de grens van 1.000 qubit doorbrak. De Condor-chip bevat 1.121 supergeleidende qubits.

Maar voor zover er een race gaande is, gebruikt niet iedereen hetzelfde voertuig. Zo lanceerde Intel in juli vorig jaar zijn eigen quantumchip: Tunnel Falls, een 12-qubit-chip aangedreven door quantum dots. Het klinkt heel klein, maar het is een heel ander systeem, gebaseerd op de siliciumtechnologie waar het bedrijf zich al jaren in specialiseert. De zogenaamde “hot chip” werkt op 1,6 Kelvin. Het is nog steeds -271 graden Celsius, maar volgens Intel maken die paar graden gezien de extreme temperaturen een groot verschil. Intel lijkt te verwachten dat deze technologie beter en sneller schaalbaar is dan de concurrentie.

De mijlpaal waar iedereen nu naartoe lijkt te werken is een systeem met 100.000 qubits. Op dat moment zou het apparaat de grote problemen van de wereld moeten kunnen oplossen, vaak in samenwerking met meer klassieke supercomputers.

Schaal is echter niet alles. «Bij klassieke computers hebben we een zeer kleine foutmarge. Dat wordt gecorrigeerd, zodat niemand het voelt. In de kwantumwereld kan er echter per honderd tot duizend bewerkingen één fout optreden”, zegt Koen Bertels. Het probleem ligt deels in de relatieve instabiliteit van elementaire deeltjes. Doordat deze deeltjes de toestand 0, 1 of ‘overlappend’ kunnen aannemen, kunnen ze zijn extra gevoelig voor hun omgeving, kan hij onbedoeld. kwantum staat van het deeltje.

De zogenaamde ‘kwantumfoutcorrectie’ is daarom een ​​van de onderzoeksmogelijkheden om een ​​meer praktische kwantumcomputer te bouwen. Onderzoekers hebben het over ‘luidruchtige’ kwantumcomputers (NISQ of ‘luidruchtige kwantumcomputers op gemiddelde schaal’) versus ‘fouttolerante’ kwantumcomputers (FTQC). Bij dit laatste worden maatregelen genomen om fouten te voorkomen.

Hoe gebeurt deze bugfix? Kortom, het koppelt meerdere qubits. Als je bijvoorbeeld drie qubits met elkaar verbindt, moeten deze allemaal dezelfde status hebben. Als er één wordt beïnvloed door de omgeving, kan het systeem die toestand vergelijken met die van de andere twee en indien nodig corrigeren.

De NISQ- en FTQC-systemen zijn grotendeels parallel aan elkaar ontwikkeld. Als we bijvoorbeeld naar de roadmap van IBM kijken, zien we er onder die Concord-chip nog een met ruim duizend qubits, met 133. “De Heron-chip is een nieuwe technologie waarbij de foutmarge kleiner is”, legt Heike Riel uit IBM. “Het aantal qubits is kleiner, maar de chips vertonen ook veel minder fouten. “Ze hebben ook een snellere toegangstijd, waardoor complexere problemen kunnen worden aangepakt.” Heron maakt deel uit van een kwantumsysteem dat gebruik maakt van een modulaire aanpak, ongeveer vergelijkbaar met de multicore-omgeving van een traditionele computer. “Het is iets complexer, maar we pluggen in feite drie van die reigers in een grote chip en plaatsen er een kwantumlink tussen, zodat het werkt als een grote kwantumchip.”

De rest van de stapel

Hardware upgraden en verkleinen is één ding, maar om met dit soort technologie nuttige dingen te kunnen doen, moeten ook mensen die niet gepromoveerd zijn in de kwantumfysica ermee kunnen werken. Simpel gezegd: je hebt apps nodig. “De softwarestack moet ervoor zorgen dat computerwetenschappers quantum computing kunnen gebruiken zonder alle fysica waarop het draait te hoeven kennen”, zegt Riel. “Dus als je Python kent, kun je kwantumcomputers programmeren. Met open source software als Quskit kun je dat bijvoorbeeld proberen.”

‘Veel sectoren zullen uiteindelijk moeten overstappen op quantummachines’

Op basis hiervan zou het ‘unique selling point’ van kwantumcomputers beter beschikbaar moeten komen: computerproblemen die te complex zijn voor een traditionele computer. Heike Riel geeft het voorbeeld van moleculair onderzoek, waarvoor rekenkracht nodig is Het groeit exponentieel naarmate grotere moleculen worden waargenomen. “Er zijn momenteel verschillende industrieën die met quantum computing werken, dus er is duidelijk een kans. Nu proberen ze in kaart te brengen wat de problemen zijn voor hun specifieke business en hoe ze daarvoor de juiste algoritmen en workflows in quantum computing kunnen krijgen.’

Veel van de voorbeelden die we vandaag de dag zien, hebben betrekking op wetenschappelijk onderzoek. Denk aan de ontwikkeling van geneesmiddelen, moleculair onderzoek, tsunami-voorspellingen, vloeistofdynamica Enz. Dit lijkt momenteel een niche, maar voor Koen Bertels kunnen we iets veel groters bedenken. “We hebben een visie nodig, omdat we bijna op één nanometer zitten voor de chips en transistors die we momenteel produceren”, legt hij uit. ‘Als je verder naar beneden gaat, kom je in het universum van de kwantummechanica. Daar zal alles zich anders gedragen, de wiskunde is anders, daarom is het een revolutie. bezig. Maar het is ook een revolutie waar bedrijven en universiteiten zich bewust van moeten zijn. Veel andere domeinen zullen uiteindelijk moeten overstappen op kwantummachines. Alle wetenschapsgebieden die computers nodig hebben, en dat zijn er veel, moeten die stap zetten en het is beter dat ze zich daarop voorbereiden.’