Podcast: De toekomst van Quantum Computing: een tijdperk vol nieuwe mogelijkheden

Wat is Quantum Computing? Waarin verschilt het van een gewone supercomputer? Wat zijn de usecases? Waarom is er zoveel opwinding en is die wel terecht? Wat doen IBM, Google, Tencent en Microsoft met quantum computing? Met quantumcomputers kun je encryptie verbeteren en breken. Hoe zit dat?  En is het wel okee dat we grote tech-bedrijven met commerciële doelstellingen zoveel regie geven over een potentieel ENORM krachtige technologie? Je hoort het in de podcast. Geen tijd om te luisteren? Hieronder lees je de samenvatting van het gesprek!

Gast: Arian Stolk

Mijn LTTFNL gast is Arian Stolk. Hij werkt als PhD kandidaat bij QUTech. QUTech is een in 2014 opgericht instituut voor geavanceerd onderzoek als samenwerking tussen de TU Delft en TNO.

Samen met ingenieurs, wetenschappers en partners uit de industrie  werken ze samen aan de missie: het eerste schaalbare prototype van een quantum computer en een veilig quantum internet te bouwen. Het doel van zijn onderzoek is het verstrengelen van qubits tussen twee nodes, een in Delft en een in Den Haag. Deze link vormt het begin van een testbed voor het Quantum Internet in de Randstad.

Tags: Quantum Computing, Quantum Computer, Quantum Internet, Quantum Mechanics, Natuurkunde, Technologie, Technology, Trends, Future, Tech, Forecasting, Toekomst

Samenvatting van het gesprek

Quantumcomputers zijn intelligente en krachtige computers die informatie op een nieuwe manier verwerken en op deze wijze grote en belangrijke doorbraken kunnen forceren.Wat is het verschil met klassieke computers?
En quantumcomputer slaat informatie niet op in elektriciteit, maar in het kleinste fundamentele deeltje.
Klassieke computers maken gebruik van een geheugen dat informatie opslaat door middel van bits; elke bit staat voor 0 of 1 (aan of uit, ja of nee). Een quantumcomputer maakt daarentegen gebruik van quantumbits (qubits, of qbits). Een qubit kan een 0, een 1 of een quantumsuperpositie innemen; dit laatste houdt in dat het alle mogelijke waarden (0 en 1) kan aannemen. Een reeks van dertig nullen en enen maakt ongeveer een miljard verschillende combinaties mogelijk; een klassieke computer kan slechts een van deze combinaties tegelijkertijd innemen, maar een quantumcomputer kan ze allemaal tegelijk innemen en kan hierdoor een miljard berekeningen maken in de tijd waarin een klassieke computer er één maakt.
En hoewel we nog in het begin zitten van deze ontwikkeling, gaat de wel hard. We zien een kwalitatieve sprong in bijvoorbeeld de hardware, maar ook in de algoritmes, de software van de quantumcomputer.

De makkelijke uitleg van de krachtvan quantum computers is: Iedere keer wanneer je een Qbit toevoegt, verdubbel je het aantal toestanden. De 53 Qbits quantum computer heeft al meer toestanden dan de huidige supercomputer. Met iedere Qbit erbij schaalt het aantal bestanden waarin informatie overgedragen kan worden exponentieel. Een quantumcomputer is dus geschikt wanneer je exponentieel moet schalen in het aantal berekeningen dat je moet doen.

De ontwikkelingen van deze ‘supercomputer’ soort gaan erg snel. Waarom is er zoveel opwinding en is die wel terecht?
Quantumcomputer is niet geschikt voor alle vraagstukken. Vooral geschikt voor die vraagstukken waarin de moeilijkheidsgraad dus steeds exponentieel toeneemt. Denk aan het ontdekken van de grondtoestand van een molecule. Bij een normale computer moet je bij een extra stap steeds dubbel zoveel rekenkracht inzetten, bij quantumcomputer heb je gewoon een extra Qbit nodig.
En de quantum computer zal dus niet over 10 jaar beschikbaar komen voor je huiskamer. Ook omdat de omstandigheden van de quantumcomputer heel specifiek moeten zijn, zoals koude temperatuur in een omgeving met nauwelijks trillingen.

Wat kun je met een Quantum Computer?
Met quantum computing zouden we kunnen uitrekenen hoe het perfecte geneesmiddel op moleculair niveau gemaakt kan worden, door welke oorzaak veranderingen in het klimaat ontstaan. Maar ook hoe problemen met mobiliteit kunnen worden opgelost of welk materiaal bij kamertemperatuur nog supergeleidend is, wat een enorme impact zou hebben op onze energievoorziening.

Wat zijn andere usecases?
De huidige modellen om klimaat te voorspellen hebben niet de fijne resolutie die je eigenlijk wilt hebben om accuraat het weer te kunnen spellen. Op dit moment is de rekenkracht niet genoeg om bijvoorbeeld een gebied van 1 × 1 km te voorspellen. Hier zou de quantumcomputer geschikt voor zijn.
In de toekomst zie je bijvoorbeeld ook dat quantum voor de chemie gebruikt kan worden. Ook om betere batterijen te maken. En om te ontdekken op een natuurlijke manier kunstmest gemaakt kan worden. Dat lijkt niet zo’n groot probleem, maar het maken van kunstmest kost een procent van de totale energieconsumptie wereld wijd. Dat is een groot probleem dus!

Over ‘Quantum Supremacy’.. Google claimde enige tijd geleden quantum supremacy, zij beweerde dat zij met  quantum computer berekening hadden gedaan waar een supercomputer 10.000 jaar over zou doen. IBM gaf echter kritiek dit had ook in een paar dagen gekund. Leg eens uit.
Quantum Supremacy is een bedacht experiment waarbij een moeilijk probleem uitgerekend wordt. Het probleem op zichzelf is nutteloos, maar het moet wel te bewijzen zijn dat quantumcomputer iets kan dat een supercomputer iets niet kan.
Dit is zeker een doorbraak. Dit is een nieuw hoofdstuk. IBM heeft misschien een beetje gelijk, maar ook weer niet.
Wat Google heeft laten zien is echt onmogelijk op het normale supercomputer. Het is ook indrukwekkend dat het blijkbaar zoveel controle in hun systeem van 53 Qbits hebben gekregen.

Maar hoe perfect is deze quantumcomputer?
Nou, nog niet foutloos. Er worden nog steeds fouten gemaakt. De uitdaging is uiteindelijk om een super stabiele quantumcomputer te maken, maar er wordt nog druk gewerkt aan het voorkomen van foutmarge.

En moeten we wel zo’n krachtige technologie overlaten aan bedrijven met een commerciële doelstelling?

Ik kan daar moeilijk een uitspraak over doen in mijn positie, maar mijn mening is dat het nu de tijd is dat alle partijen, overheid en industrie, samen te kijken naar hoe we deze technologie kunnen inzetten voor goede dingen. Omdat er waarde zit in het oplossen van moeilijke problemen kan daar ook een commercieel aspect aan zitten.

Jij werkt ook aan het Quantum internet.. vertel eens?
Het quantum internet is een netwerk van onderling verbonden quantumcomputers. Zo’n netwerk maakt de uitwisseling van quantumbits mogelijk, waardoor problemen opgelost kunnen worden die altijd buiten bereik zullen blijven van het klassieke internet zoals we dat nu kennen. Denk bijvoorbeeld aan het heel nauwkeurig kunnen synchroniseren van klokken en het creëren van een veilige toegang tot quantumcomputers in de cloud. Een andere zeer gewenste toepassing van quantum internet is het mogelijk maken van inherent veilige communicatie en waarborging van de privacy, gegarandeerd door de basiswetten van de quantummechanica. De veiligheid van het systeem is dus afkomstig uit de natuurkunde. Met het quantuminternet kun je dus een versleuteld internet bouwen. Dat is fundamenteel verschillend met het internet van nu.

Over het Quantum Internet:

Naast dat superpositie en verstrengeling grote voordelen kunnen hebben voor het doen van berekeningen, kan het ook gebruikt worden voor een fundamenteel nieuwe manier van communicatie. Door bouwen van kleine quantum computers in een netwerk, kun je qubits verstrengelen over lange afstand. Zodra deze qubits maximaal verstrengeld zijn kan deze eigenschap gebruikt worden voor het uitwissellen van een geheime sleutel die niemand kan afluisteren. Dat wordt gegarandeerd door de quantum mechanica, iets wat in het huidige internet gedaan wordt met moeilijke, maar niet onkraakbare, wiskundige problemen. Aan zo’n netwerk van quantum computers wordt hard gewerkt door mij en andere onderzoekers en technici bij QuTech. We hopen eind dit jaar de eerste link te bouwen tussen Delft en Den Haag, waar we gebruik maken van commercieel beschikbare optische fibres.

Luister op Apple PodcastLuister op Spotify

Update: mei 2020: Tegenslag voor Nederlandse pionier van de quantumcomputer in ontwikkelproces van Majorana Qubits.
Bekende quantumwetenschapper Leo Kouwenhoven heeft met zijn team van de Universiteit in Delft een tegenslag te verwerken gekregen. Zij deden in 2018 onderzoek naar zogenaamde Majorana qubits in een quantum computer. Majorana qubits zijn stabieler en foutbestendiger dan de huidige qubits.
Het onderzoek uit 2018 ging de hele wereld over. Na nieuwe analyse van de data in 2020 kwamen de onderzoekers echter onregelmatigheden tegen. Die onregelmatigheden hebben overigens geen effect op het wel of niet bestaan van Majorana qubits. Maar wel op de snelheid van het ontwikkelingstraject.
De ontwikkeling van de quantum computer in het algemeen is overigens ook niet afhankelijk van dit Majorana deeltje. Er zijn meerdere wegen die naar een goeie quantum computer leiden. Wel is de gebeurtenis een grote domper voor het team uit Delft.

Mijn klanten