Kwantumchip geeft je pc het nakijken
Onlangs maakte Googles kwantumcomputer een berekening in nog geen vier minuten waar de krachtigste computer ter wereld 10.000 jaar over zou doen. Het is de kiem voor ’s werelds eerste volledig functionele kwantumcomputer die betere medicijnen kan maken, slimmere kunstmatige intelligentie kan creëren en grote raadsels van de kosmos kan oplossen.
De kwantumcomputers van tegenwoordig zijn enorme en complexe machines die ladingen stroom nodig hebben om de chip van de kwantumcomputer af te koelen tot bijna het absolute nulpunt.
In 2012 kwam de theoretisch fysicus John Preskill met een formulering van kwantumsuprematie, de superioriteit van kwantumcomputers. Hij benoemde die als het moment waarop kwantumcomputers dingen kunnen die voor gewone computers niet mogelijk zijn.
Zeven jaar later, najaar 2019, bereikte Googles kwantumcomputer Sycamore deze mijlpaal. In 200 seconden voerde de machine een door wiskundigen ontworpen berekening uit die zo ingewikkeld was dat de krachtigste supercomputer ter wereld, IBM’s Summit, er 10.000 jaar voor nodig zou hebben. Googles kwantumcomputer is daarmee circa 158 miljoen keer zo snel als ’s werelds snelste supercomputer.
De Chinese kwantumcomputer Zuchongzhi is genoemd naar een 5e-eeuwse wiskundige, Zu Chongzhi, die pi berekende met een nauwkeurigheid die 800 jaar lang niet werd overtroffen.
China stoot Google van de troon als kwantumheerser
Chinese onderzoekers hebben nu een kwantumcomputer ontwikkeld die Sycamore van de troon stoot als krachtigste kwantumcomputer.
De Chinese kwantumcomputer, Zuchongzhi genaamd, voerde daarvoor een berekening uit die 100 keer zo uitdagend was als die de kwantumcomputer van Google uitvoerde toen hij ’s werelds krachtigste computer werd.
Googles processor is opgebouwd uit 54 qubits, terwijl de Chinese kwantumcomputer 66 qubits telt.
De kwantumcomputer gebruikt de regels van de kwantummechanica om berekeningen te maken die het menselijke bevattingsvermogen te boven gaan. Kwantummechanica is een tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met fotonen, elektronen en atoomkernen.
Maak kennis met de onderzoekers achter Googles kwantumdoorbraak. Ga mee naar de kwantumcomputer Sycamore, die voor het eerst kwantumsuperioriteit heeft geleverd.
Deze kleinste bouwstenen van het heelal gedragen zich volstrekt onlogisch. De toestand van twee deeltjes kan bijvoorbeeld met elkaar verbonden zijn, ook al zit er een grote afstand tussen, en één deeltje kan zich tegelijkertijd op twee plaatsen bevinden.
Door de complexe schei- en natuurkundige processen van de natuur op atomair niveau na te bootsen, kan de kwantumcomputer onder meer helpen bij het ontwikkelen van nieuwe medicijnen en het uitvinden van supergeleidende materialen die stroom geleiden zonder energieverlies.
Maar om een nieuwe wetenschappelijke gouden eeuw te beginnen moeten de onderzoekers achter de nieuwe technologie nog een aantal hindernissen nemen.
Googles kwantumchip Sycamore is niet veel groter dan traditionele computerprocessors. Maar om de 54 qubits van de chip te laten werken, moet de chip in een kast worden geïnstalleerd die bestaat uit onder meer koper en goud met temperaturen tot bijna het absolute nulpunt van -273,15 ºC.
Qubits kunnen overal tegelijk zijn
De rekenkracht van de kwantumcomputer komt van zogeheten kwantumbits, afgekort qubits. Op een gewone computer worden gegevens opgeslagen als bits met een waarde van 0 of 1. Vier klassieke bits kunnen samen 16 verschillende gegevenscombinaties creëren – (0000, 0001, 0010, enz.) – maar de klassieke computer kan maar met één van deze combinaties tegelijk werken.
Qubits kunnen beide waarden, 0 en 1, tegelijk hebben. In deze toestand, superpositie genoemd, kan de computer werken met alle 16 combinaties van gegevens tegelijk. Voor elke toegevoegde qubit neemt de rekenkracht exponentieel toe. Volgens de onderzoekers kan een kwantumcomputer met 300 qubit meer berekeningen tegelijk uitvoeren dan er atomen in het heelal zijn.
De 0 en 1 komen uit het binaire getalsysteem waarop computers hun berekeningen baseren sinds ze zo groot waren dat ze een huiskamer vulden en met radiobuizen in plaats van transistors werkten.
Maar om de binaire getallen in een computer te kunnen gebruiken, moet er iets fysieks aanwezig zijn dat dit kan. En dat is de microchip van de computer: daarin zetten miljoenen piepkleine transistors de stroom op de microchip aan of uit. Een open transistor komt overeen met de waarde 1 en een dichte komt overeen met de waarde 0. Hoe meer transistors de microchip bevat, hoe meer informatie de computer tegelijkertijd kan verwerken.
Kwantumcomputer is een multitasker
Het brein van de computer zit vol nullen en enen
Een gewone computer denkt in bits. Een bit is de kleinste rekeneenheid van een computer en heeft de waarde 0 of 1. Een byte bestaat uit acht bits, die elk de waarde 0 of 1 kunnen aannemen, bijvoorbeeld 10001101.
Qubits zijn overal tegelijk
Een kwantumcomputer denkt in zogeheten kwantumbits, afgekort qubit. Een qubit kan de waarde 0 of 1 hebben en beide tegelijk zijn. Deze toestand, superpositie genoemd, is gebaseerd op de regels van de kwantumfysica.
Vier bits geven 16 verschillende waarden
Vier bits van een gewone computer kunnen samen 16 waarden creëren. Tegenwoordig werken de meeste computers met 32 en 64 bits. Dit laatste geeft miljarden verschillende waarden.
Vier qubits geven 16 verschillende waarden
Vier qubits van een kwantumcomputer zullen ook 16 waarden creëren. Voor elke qubit die aan het systeem wordt toegevoegd, verdubbelt het aantal waarden waarmee de computer kan werken. Zo kan 300 qubit worden gecombineerd tot meer waarden dan er atomen in het heelal zijn.
Computer verwerkt gegevens stukje bij beetje
Een gewone computer kan uiteindelijk maar met één waarde tegelijk rekenen, zoals 0100. Dit betekent echter niet dat hij niet snel kan werken. Zo kan de supercomputer Summit 200 miljoen miljard berekeningen per seconde maken.
Kwantumcomputer krijgt bovennatuurlijke rekenkracht
Een kwantumcomputer kan met alle 16 waarden tegelijkertijd rekenen. Dit komt door de superpositietoestand, die de kwantumcomputer zijn onbevattelijke rekenkracht geeft.
Kwetsbare chip wordt sterk gekoeld
De kwantumcomputer van Google, Sycamore, en die van IBM, IBM Q System One, verwerken ook gegevens met behulp van microchips. In plaats van miljoenen transistors die nullen en enen uitspuwen, bevat het ‘brein’ van de kwantumcomputer maar heel weinig qubits. De Sycamore-chip heeft er 53, en de IBM Q System One 20.
De qubits zijn gemaakt van het element niobium en in een chip van silicium geperst, het materiaal waaruit ook gewone computerchips bestaan.
Door twee elektroden van niobium te scheiden met een dun laagje aluminiumoxide ontstaat een zogeheten Josephson-contact, waardoor een kwantummechanische superpositie kan ontstaan. Een Josephson-contact is alleen mogelijk als het materiaal supergeleidend is, wat wil zeggen dat het geen elektrische weerstand heeft.
Dit is de grootste uitdaging die moet worden overwonnen bij het ontwikkelen van kwantumcomputers voor thuis en op kantoor.
Omdat de eigenschappen van de kwantummechanica zich alleen op de allerkleinste schaal voordoen, worden de berekeningen bij het minste of geringste verstoord. Zelfs één atoom of een lucht- of lichtdeeltje kan de kwetsbare qubits uit koers slaan, waardoor ze hun superpositie verliezen.
Daarom bevindt het kwantumchipje in de laboratoria van zowel IBM als Google zich op de bodem van een vriezer in een grote kast met onderdelen van goud en koper, die de chip koelen tot bijna het absolute nulpunt van -273,15 ºC. Die constructie wordt een cryostaat genoemd, en alleen daarmee kunnen onderzoekers überhaupt berekeningen laten uitvoeren door een kwantumchip.
Dat verklaart ook waarom de kwantumcomputers tot nu toe niet meer qubits bevatten. Hoe meer qubits ze hebben, hoe moeilijker het is om ze een tijd in superpositie te houden, omdat het risico op elektrische interferentie van buitenaf exponentieel toeneemt met het aantal qubits.
Kou houdt qubits in conditie
Extreme temperaturen van bijna -300 ºC zijn nodig om de kwetsbare qubits van de kwantumchip lange tijd in superpositie te houden. De kou verhindert dat zelfs het kleinste lucht- of lichtdeeltje doordringt en qubits uit koers slaat.
Vrieselement versterkt het qubitsignaal
Boven in de kwantumkoelkast wordt de temperatuur afgekoeld tot 4 Kelvin, dus 4 graden boven het absolute nulpunt van -273,15 ºC. Dit is een van de twee onderdelen die de signalen versterken die van en naar de processor van de kwantumcomputer worden gestuurd.
Microgolven verzwakken vernietigende signaalruis
Qubits zijn extreem gevoelig voor geluid van buitenaf, en zelfs één lucht- of lichtdeeltje kan de qubits uit koers slaan, waardoor ze hun superpositie verliezen en geen berekeningen meer kunnen maken. Microgolven dempen daarom constant alle elektronische ruis, zodat de kwetsbare qubits optimale condities krijgen.
Mengkamer koelt processor
Hier worden twee heliumisotopen gemengd, helium-3 en helium-4. Die combinatie koelt de kwantumprocessor tot 15 millikelvin: 15 duizendste graad boven het absolute nulpunt. Het gas van de twee isotopen circuleert in koelleidingen.
Schild beschermt qubits tegen stralingsgevaar
De kwantumprocessor zit achter een zogeheten Cryoperm-schild. Dit schild heeft een nikkellegering en is volledig licht- en luchtdicht, zodat er geen straling in de motor van de computer terecht kan komen.
De volgende doorbraak
Ondanks de grote vorderingen van met name Google en IBM is er nog een lange weg te gaan voordat de bijzonder krachtige kwantumcomputer bij je thuis staat.
Als je thuis een kwantumcomputer zou willen installeren, moet de gevoelige processor waarschijnlijk op kamertemperatuur kunnen werken. Bovendien heeft Googles kwantumcomputer ‘slechts’ een supercomputer verslagen met een bijzonder ingewikkelde berekening die voor dit doel is ontworpen. De volgende mijlpaal is om de kwantumcomputer een nuttig probleem te laten oplossen.
Om daarin te slagen moet de kwantumcomputer met duizenden en misschien zelfs miljoenen qubits tegelijk kunnen werken. En dat is moeilijk, aangezien de structuur van qubits in de kwantumcomputers van Google en IBM doet denken aan een kaartenhuis dat bij het minste geluid van buitenaf dreigt in te storten.
Maar misschien heeft een derde IT-gigant, Microsoft, de oplossing voor het probleem. Via een zogeheten topologisch circuit van kwantumbits probeert dit bedrijf de fragiele structuur van de kwantumcomputer te omzeilen. Het ontwerp werkt net als legoblokjes, die qubits met elkaar verbinden als bakstenen in een huis en daardoor de computer minder kwetsbaar maken.
Of de kwantumcomputer zijn definitieve doorbraak krijgt bij Microsoft, Google, IBM of een vierde partij is niet te voorspellen. Eén ding is echter zeker: de race om de kwantumcomputer uit de ijskoude vriezers van de laboratoria te halen en de waarde van de technologie te bewijzen is serieus begonnen.