Het is nog toekomstmuziek, maar de toekomst is niet ver weg. Over een jaar of tien wordt kwantumcomputing interessant voor de IT, maar bijvoorbeeld ook de chemie, voorziet Christian Andersen van QuTech in Delft. Ingenieurs kunnen zich het best maar alvast voorbereiden. Bijvoorbeeld met een cursus aan zijn QuTech Academy.
Het lijkt pure science fiction. Wie het lab van QuTech in Delft binnengaat, waant zich als de Klingon Worf die voor het eerst Starship The Enterprise betreedt. Maar dan in een modernere versie van Star Trek.
Als cocons hangen metalen ketels aan het plafond. Zo’n twintig in totaal, verbonden met duizenden kabels en slangen die naar bedieningskasten leiden. Assistent hoogleraar Christian Andersen leidt me rond. Hij wijst op een kabel van zo’n 6 mm dik en zegt: “dit is eigenlijk een slang. Het transporteert informatie in de vorm van microgolven.” En hij wijst naar de kabelkast waar het slangetje heenleidt. “Hier vind je onderdelen die je ook terugvindt in een magnetron.”
Eén van de metalen omhulsels is verwijderd, het blinkende binnenste van de cocon toont zich aan de buitenwereld als een onderdeel van een buitenaards ruimteschip: vier koperen schijven, ruim een centimeter dik, verbonden door kunstzinnig gekrulde koperen buisjes. “Dit dient allemaal om de zaak te koelen”, vertelt de wetenschapper. “Daarvoor gebruiken we He-3. Een zeldzame heliumverbinding die we alleen kunnen krijgen als bijproduct van de nucleaire industrie. Daarmee koelen we de QPU terug tot tegen het absolute nulpunt: -273 graden Celsius.” Ja, een kwantumcomputer vreet energie. “Maar lang niet zoveel als een datacentrum.”
Met zijn vinger wijst hij naar een zwart plaatje onderin, minder dan een vierkante centimeter groot, waar ook alle koperen leidingen naar wijzen: “De Quantum Processing Unit.” Andersen heeft een exemplaar in een klein doosje paraat. Op het eerste gezicht lijkt het een gewone chip. Onder een microscoop bekeken, lopen er ook hier verbindingen, alleen lijken ze wel licht te geven.
Triljoenen
Waar AI zich langzaam uitrolt over de maatschappij, waar het financiële- en marketinganalyses uitvoert, nieuwsberichten samenstelt en waar studenten heimelijk hun literatuur laten samenvatten, daar klinkt de kwantumcomputer nog als toekomstmuziek. Toch wordt deze in het lab al volop getest, waar ook wordt gesleuteld aan de ontwikkeling van nog efficiëntere kwantumcomputers.
De mogelijkheden lijken enorm, de menselijke fantasie is de grootste beperking. Zelfs de wetenschappers die ermee experimenteren kunnen de mogelijkheden moeilijk inschatten. “Wij onderzoeken hoe we deze computers het best kunnen bouwen en wat ze feitelijk doen”, vertelt Andersen. “Het grote verschil met een gewone computer is dat een kwantumcomputer berekeningen kan uitvoeren die eenvoudigweg te groot zijn voor een gewone computer.”
De kwantumcomputers bij QuTech worden tot het uiterste gedreven. De meest complexe berekeningen, met getallen die in de triljoenen lopen, worden er uitgevoerd. “En dan gaan we kijken: waar schieten ze tekort? Hoe kunnen we ze verbeteren?”
Kunstmest
De locatie en de naam van Christian Andersen doen misschien anders vermoeden, toch vertelt hij geen sprookjes. Terug op zijn eenvoudige kantoor op de grote, industriële campus in Delft zijn we weer in de huidige realiteit en zegt de wetenschapper ronduit niet te kunnen voorzien welke mogelijkheden deze technologie uiteindelijk kan bieden. Dat de eerste toepassingen zich in de IT, bij het ontwikkelen van efficiënte en krachtige programma’s zullen voltrekken, is duidelijk.
Vervolgens zijn sectoren aan de beurt waar nieuwe materialen ontwikkeld worden, zoals de chemie. Praktisch voorbeeld is de ontwikkeling van een nieuwe generatie kunstmest. Momenteel kost de productie veel fossiele energie en de CO2-uitstoot is enorm. “Dankzij kwantumcomputing zal dit veel efficiënter kunnen.”
De meest veelbelovende ontwikkeling die nu al binnen handbereik is, voorziet de wetenschapper in de medische industrie: “Daar kunnen veel sneller nieuwe medicijnen ontwikkeld worden, bijvoorbeeld tegen kanker.” Maar ook betere batterijen zijn een reële optie. Hoe lang we daarop moeten wachten is onzeker. “Voor de gespecialiseerde industrie kan het nog wel tien tot twintig jaar duren. Maar grote ICT-bedrijven in de VS als IBM en startups rondom Google experimenteren nu al op wetenschappelijk niveau met kwantumprogramma’s.”
Hier, op QuTech, zijn ze er echter nog niet van overtuigd dat de kwantumcomputer is uitontwikkeld. “Bij die bedrijven gaan ze gewoon met de huidige generatie aan de slag, maar wij denken dat de kwantumcomputer nog veel beter en efficiënter kan werken. Zo zoeken wij naar de juiste materialen voor de productie van de QPU.”
Cursussen
Een kwantumcomputer komt nooit in de plaats van de huidige generatie binaire computers, meent hij. “Particulieren zullen nooit over een kwantumcomputer beschikken.” Eenvoudigweg omdat niemand thuis een installatie zal laten draaien dat de QPU koelt naar 273 graden onder nul. “Wel zal iedereen eenvoudig in kunnen loggen op een kwantumcomputer. Via de cloud is het apparaat bereikbaar, gewoon met je smartphone.”
Het bedrijfsleven kan er op die manier ook eenvoudig van gebruik maken. Wie een verffabriek runt, een papierfabriek of voedingsmiddelenbedrijf met een besturingssysteem dat over een jaar of tien aan vervanging toe is, zou deze ontwikkelingen niet mogen negeren, meent Andersen. “Het past nu nog niet in een businessplan, maar het is goed om het alvast op de radar te hebben. Want het moment dat het wel rendabel is, komt hoe dan ook.”
De assistent hoogleraar is tevens hoofd van QuTech Academy. Deze instelling heeft als doel het contact met de samenleving te houden en het publiek te informeren. “We proberen alles zo open mogelijk te houden voor het publiek”, stelt hij. “We maken hier geen geheime wapens.” En om het publiek te informeren zijn er onder meer gratis online cursussen te volgen. “Je betaalt alleen voor het certificaat.”
Het aanbod aan cursussen is groot en breed. Er zijn high-level cursussen, maar ook technische cursussen, speciaal voor ingenieurs. Studenten aan de QuTech-academy kunnen via hun pc ook direct contact maken met de kwantumcomputer. “Volgend jaar komen er héél praktische cursussen. Voor professionals, maar ook voor techneuten die er op de werkvloer mee aan de slag willen. Voor mensen dus die geen kwantumfysicus zijn.”
Angst
Andersen is enthousiast. Maar de komst van de kwantumcomputer kan ook behoorlijk wat angst inboezemen. Vooral als deze wordt gecombineerd met AI. Het risico dat kwantumcomputers onze wachtwoorden gaan omzeilen is zeer reëel, maar de angst daarvoor is onterecht weet Andersen. “Kwantumcomputers zullen een wachtwoord eenvoudig kunnen achterhalen, maar zijn daar nog niet klaar voor. Dat duurt nog wel 30 jaar. En aan een nieuwe, post-kwantum-encryptie wordt nu al hard gewerkt.”
De technologie is niet gevaarlijk, benadrukt hij. “Het is hoe je het gebruikt”. Een redenering die we kennen van de uitvinding van het buskruit, dat werd uitgevonden voor de mijnbouw. En als je met kwantumcomputers eenvoudig medicijnen kunt ontwikkelen, dan is het net zo gemakkelijk om gif of virussen te ontwikkelen.
Andersen is daar niet zo bang voor. Juist de omvang van de kwantumcomputer en dure technologie hindert de kwaadwillenden, verwacht hij. “Een kwantumcomputer is als een enorm datacenter. Daar maak je met velen gebruik van. En dan is het ook controleerbaar wat er gebeurt.”
Hij kan echter niet uitsluiten dat een miljardair of een kwaadaardig regime over een volledige kwantumcomputer gaat beschikken. “Maar dat kunnen westerse mogendheden ook”, stelt hij. Dit soort overwegingen voert te ver voor hem. “Ik doe geen geopolitiek.”
Zijn lab maakt nu al gebruik van AI bij het ontwikkelen van kwantumcomputers. “Het helpt ons bij het onderzoek en met het oplossen van problemen die we tegenkomen.” Maar andersom, dus hoe kwantumcomputers gebruik gaan maken van AI, kan hij op geen enkele manier voorzien. Een robot als ChatGPT is krachtig omdat het toegang heeft tot enorm veel info. “Een kwantumcomputer maakt AI niet meteen veel slimmer. Wel kan het de taken efficiënter uitvoeren, met veel minder CO2-uitstoot.”
De angst die dit bij het publiek oproept kan Andersen niet wegnemen. Als de mens het denken uitbesteedt aan AI en dit gereedschap wordt krachtiger en sneller met kwantumcomputers, dan bestaat het gevaar dat de mens zich overbodig maakt. Andersen lacht: “Dat zou je aan een filosoof moeten vragen.”
In de Qubit Research Division van QuTech leidt hij het Andersen Lab dat werkt aan de ontwikkeling van nieuwe kwantumcomputers met een volgende generatie qubits. Zo onderzoekt hij welke materialen het best geschikt zijn voor de ontwikkeling van qubits.
QuTech
QuTech is een samenwerkingsverband tussen TU Delft en TNO en is wereldwijd koploper op het gebied van onderzoek naar kwantumtechnologie. QuTech werkt aan nuttige toepassingen met kwantumtechnologie, zoals de eerste schaalbare kwantumcomputer en veilig kwantuminternet. Het instituut beschikt daartoe over een hoogstaand hardwareplatform, theoretische tools, een gezamenlijk kenniscentrum met industriële partners en een deskundig internationaal team.
QuTech ontwikkelde de eerste Europese quantumcomputer in de cloud. Het rekent als eerste in de wereld met een quantumprocessor gemaakt van schaalbare ‘spin qubits’ die zo klein zijn, dat het naar verwachting goed opgeschaald kan worden.
Kwantumcomputers
Kwantumcomputers worden gebouwd volgens de principes van de kwantummechanica, om problemen op te lossen die te groot of te complex zijn voor traditionele computers. Om multidimensionale kwantumalgoritmen uit te voeren en op te lossen rekenen kwantumcomputers met qubits. Zoals een bit bij een gewone computer, is een qubit de basisunit van informatie in de kwantumcomputing. Een bit is een binair cijfer dat de waarde 0 of 1 kan hebben, een qubit kan een waarde hebben van 0, van 1 of van een kwantumsuperpositie van 0 en 1. Het kan dus ook 0 en 1 tegelijk zijn, of elke waarde daartussen. Lang verhaal kort: een bit heeft twee mogelijkheden, een qubit heeft er oneindig veel en al deze opties kunnen interfereren om berekeningen te versnellen.”
Waar binaire bits vaak chips van silicium zijn, worden qubits ook gemaakt van gevangen ionen, fotonen, kunstmatige of echte atomen of quasideeltjes.
