Plus College: 'Met de quantum-computer kunnen we straks veel goeds doen’

Leo Kouwenhoven: “De huidige computers kunnen veel problemen aan. Iets opzoeken op internet of een mailtje sturen: dat gaat allemaal prima. Maar er zijn ­problemen die de computers van nu niet kunnen oplossen. Zoals het ­zoeken naar het ideale medicijn dat voor één specifieke patiënt perfect werkt. Dat kan nooit met een gewone computer; die zou daar oneindig lang over doen. Een quantumcomputer zal daar wél goed uitkomen. Zo’n quantum­computer is een computer die op een totaal nieuwe manier ­rekent. Zoals de naam al zegt, hebben we het over een machine ­gebaseerd op principes uit de quantum­mechanica. Dat is de theorie die we gebruiken om te beschrijven hoe kleine deeltjes zich gedragen. Deeltjes die zo klein zijn dat ze zelfs met een microscoop niet te zien zijn, maar die wel de bouwstenen vormen van alles om ons heen.”

“In die wereld van het allerkleinste zijn heel andere dingen mogelijk dan in ons dagelijks leven. Wij kunnen bijvoorbeeld onmogelijk op twee plaatsen tegelijk zijn, maar superkleine deeltjes kunnen dat wél. Op die twee plaatsen kunnen ze ook nog eens twee verschillende dingen tegelijk meemaken. De quantumcomputer maakt handig gebruik van dat gegeven. Die hoeft daardoor niet  alles een voor een te proberen, zoals een gewone computer, maar kan meerdere mogelijkheden tegelijk bekijken.

Stel bijvoorbeeld dat een postbode de ideale route wil bepalen voor het ­bezorgen van zijn pakketjes. Een gewone computer moet dan alle ­mogelijke routes een voor een ­nalopen, wat bij een grote hoeveelheid adressen al gauw uit de hand loopt. Een quantumcomputer kan echter alle mogelijke routes in één keer bekijken en heeft daardoor heel snel de beste mogelijkheid te ­pakken.”

''We maken geld over via internet, checken in met de OV-chipkaart en onze smartphone is in feite een zak­computer. Al deze technologie werkt volgens hetzelfde principe. De bankoverschrijvingen, treinreizen en appjes worden digitaal verwerkt. Dit betekent dat de informatie is vertaald naar minischakelaartjes die ‘aan’ of ‘uit’ staan, ook wel bits genoemd. De quantumcomputer zal met qubits werken, een totaal andere technologie.''

Bijzondere deeltjes

“Zo’n quantumcomputer ­bestaat nog niet echt. Wel wordt er op allerlei plekken hard aan gewerkt, onder meer in Delft. Daarbij draait het voor een belangrijk deel om de zogenoemde quantumbits of qubits. Die kun je zien als de ‘quantum­variant’ van de digitale bits waar een gewone computer zijn gegevens in opslaat en zijn berekeningen mee doet. Zulke qubits kun je bijvoorbeeld maken van majoranadeeltjes. Dat zijn heel bijzondere deeltjes die mijn onderzoeksgroep in 2012 als eerste heeft weten te maken, samen met materiaalkundigen van de TU Eindhoven. Toen we die majoranadeeltjes hadden gemaakt, klopte Microsoft bij ons aan. Het bedrijf wilde graag een eigen lab op de campus van de TU Delft om daar te werken aan een quantumcomputer die gebruikmaakt van majorana-qubits. Ik ben toen de directeur van dat lab geworden.”

“Nu zijn we druk bezig om daadwerkelijk van die majorana-qubits te maken. Hoe we dat precies moeten doen, weten we alleen nog niet. Dat is ook niet zo vreemd. We hebben het tenslotte over deeltjes die we pas een paar jaar geleden hebben ontdekt, en die willen we nu al in een computer stoppen. Momenteel bevindt het werk aan de quantumcomputer zich in een stroomversnelling. Er zijn heel wat bedrijven die flink investeren in het vakgebied; niet alleen Microsoft, maar ook IBM, Google en Intel. Wel is het belangrijk om het volgende in het oog te houden. Het bouwen van een quantumcomputer kun je vergelijken met het oversteken van een oceaan. De huidige stroom­versnelling helpt ons een eindje verder, maar we zullen nog wel een stroomversnelling of dertig nodig hebben om echt de overkant te bereiken.

Verder zijn nu verschillende ­partijen op verschillende manieren aan het uitproberen om de overkant te ­halen. Onze qubits – gebaseerd op majorana­deeltjes – zijn nog volop in ontwikkeling. Andere partijen ­hebben al op andere manieren qubits weten te maken. Maar majorana-qubits zijn naar verwachting wel veel betrouwbaarder dan die andere qubits. Dus áls we ze eenmaal hebben, kunnen we er ook veel beter een quantumcomputer mee bouwen.

Momenteel hebben bedrijven als IBM en Google al ­quantumcomputers ­gebouwd met enkele tientallen ­qubits. Helaas heeft een echt ­nuttige quantumcomputer wel duizend qubits nodig. Zoveel qubits laten ­samenwerken in één computer is nog niet zo simpel, maar we ­denken dat we in 2020 kunnen laten zien dat dit in principe mogelijk is. ­Vervolgens zal het nog een paar jaar ­duren voordat we daadwerkelijk zo’n ­quantumcomputer met duizend ­qubits hebben.”

Geen thuiscomputer

“Belangrijk om je te realiseren is dat zo’n quantumcomputer waarschijnlijk niet bij je thuis zal komen te staan. Dat zou ook lastig zijn, aangezien de huidige qubits alleen goed werken bij heel lage temperaturen, in de buurt van het absolute nulpunt van -273,15 ºC. Bij hogere temperaturen kunnen fouten optreden. Ik verwacht dat grote datacenters, die nu vol gewone computers staan, daar een aantal quantumcomputers tussen zullen ­zetten. Voor de gebruiker thuis zal die overstap redelijk ­geruisloos ­verlopen. Die zal alleen maar ­merken dat ­bepaalde dingen ineens veel ­sneller gaan. Of dat de computer een probleem kan oplossen waar hij eerst niet uit kwam.

Er kleeft ook een nadeel aan deze ontwikkelingen. De manieren om data te versleutelen die we nu ­gebruiken, zijn namelijk te hacken met een quantum­computer. We zullen te ­zijner tijd dus een nieuwe manier moeten gaan gebruiken om onze gegevens te beschermen. Al het vertrouwelijke internetverkeer, van WhatsApp-berichtjes tot pincodes, moet dan anders versleuteld worden. Maar daar hoeft de thuisgebruiker waarschijnlijk niets voor te doen. Dat is een klus voor banken en ­bedrijven. En hoe dan ook is dit geen enorm probleem.

Het weegt wat mij betreft niet op tegen al het goede dat we straks met de quantumcomputer kunnen doen, bijvoorbeeld voor het milieu. En als de quantumcomputer kan helpen om voor elk individu het best werkende medicijn te ­berekenen, ­bijvoorbeeld tegen ziektes als ­alzheimer of ­parkinson, zou dat natuurlijk ­helemaal mooi zijn. Al moet je ook weer niet denken: als die quantumcomputer er eenmaal is, ben ik de dag erna genezen.”

Wat is al bekend & wat nog niet?

BEKEND

• Al sinds begin jaren 2000 ­kunnen we quantumbits ofwel qubits ­maken: de bits waar een quantum­computer mee rekent.
• In 2012 maakten hoogleraar Leo Kouwenhoven en zijn collega’s aan de TU Delft als eersten ooit majoranadeeltjes. Daar zijn hopelijk extra ­betrouwbare ­qubits mee te maken.

ONBEKEND

• Hoe we van ­majoranadeeltjes qubits moeten maken, is nog niet duidelijk. Het team van Leo ­Kouwenhoven is hier druk mee bezig.
• Er zijn momenteel quantumcomputers met enkele tientallen qubits, maar een volwaardige quantumcomputer zal rond de duizend qubits ­nodig hebben.

Meer weten?

In het boekje De quantumcomputer. Een digitale revolutie op het punt van uitbreken van wetenschapsjournalist George van Hal lees je meer over de supercomputer