Onderzoekers kunnen hun algoritmes nu los gaan laten op de quantumcomputer, via het platform Quantum Inspire. Daar krijgen ze wel alleen nog toegang tot een digitale replica van de computer – een digital twin. De fysieke computer is nog niet klaar voor gebruik, vertelt Kokkelmans. “Hij werkt nog niet goed genoeg om voor het brede publiek beschikbaar te stellen.” Eigenlijk zou de computer al in 2024 opgeleverd worden, maar door onder andere de verhuizing van de labs naar Qubit, overstromingen door hevige regenval en problemen met de airconditioning lukte dat niet.

Toch is besloten om de digital twin deze week online te zetten. “We simuleren de quantumcomputer op een erg krachtige ‘klassieke’ computer. Deze schaalt exponentieel op in benodigde rekenkracht voor elke qubit die je toevoegt, om de echte quantumcomputer te kunnen imiteren”, aldus Kokkelmans. Qubits zijn bouwstenen voor quantumcomputers, zoals bits dat voor klassieke computers zijn.

Atomen

De qubits bestaan bij de computer van de TU/e uit atomen. “We hebben een brokje metaal, dat verdampen we en daar komt een gas uit. De atomen van dat gas maken we zo koud dat ze niet meer kunnen bewegen. Dan plukken we ze uit de wolk en kunnen we ze neerzetten waar we willen”, legt Kokkelmans uit. Wanneer die qubits op de juiste plek staan, kun je er operaties op uitvoeren.

Onderzoekers, maar ook het brede publiek, kunnen nu via de online interface op Quantum Inspire een programma uit laten voeren door de computer, het staat namelijk open voor iedereen die intereresse heeft. “De gebruiker voert een code in, die schrijft voor hoe er stapsgewijs operaties plaatsvinden. Als het programma is afgelopen dan staan de qubits in een bepaalde stand. Wat je uitleest is het resultaat van de berekening.”

Hybride

De quantumcomputer in Qubit is een hybride quantumcomputer, die combineert klassieke en quantumcomputertechnologieën. Het beste van twee werelden, zo beschrijft Hamid Montazeri het. Hij gaat als universitair hoofddocent bij de faculteit Built Environment als een van de eersten gebruikmaken van de computer. “Voor klassieke computers hebben we al een stevige basis liggen. Quantumcomputers hebben een enorm potentieel wat betreft complexe problemen.” Hij ontwikkelt hybride algoritmes om de meest complexe delen van zijn berekeningen aan het quantumdeel van de computer te kunnen geven, de rest gaat naar het klassieke deel.

Niet in alle opdrachten zijn quantumcomputers sneller dan klassieke computers, maar in specifieke taken blinken ze uit. Dat zijn bijvoorbeeld het kraken van encryptie, zoeken in enorme databases en het nabootsen van natuurlijke processen. Kokkelmans vindt als natuurkundige persoonlijk dat laatste vooral interessant. “Moleculen hebben bijvoorbeeld eigenschappen die vergelijkbaar zijn met een quantumcomputer. Een moleculair probleem groeit, net als een quantumcomputer, exponentieel met elke atoom die je toevoegt. Met een quantumcomputer kun je dus goed berekenen hoe moleculen zich gedragen, omdat de computer zich hetzelfde gedraagt.”

Het lijkt erg op hoe een gewone computer werkt, maar het grote verschil zit hem in wát er met de qubits moet gebeuren. Die krijgen bijvoorbeeld de opdracht om in een superpositie te gaan, wat betekent dat ze tegelijkertijd 0 en 1 representeren. Ook kun je qubits met elkaar verstrengelen, waarmee je de toestand van de ene qubit onlosmakelijk verbindt met die van een andere.

Tegelijkertijd

Superpositie en verstrengeling zijn eigenschappen binnen de quantumfysica die voor veel mensen maar moeilijk te bevatten zijn, maar wel degelijk echt. En het stelt de computer in staat om meerdere berekeningen tegelijkertijd uit te voeren. “Bij een gewone computer is er een getal, daar voer je een operatie op uit. Dan verandert het getal en dan voer je daar weer een operatie op uit”, legt Kokkelmans uit. De computer borduurt daarbij voort op elke vorige stap. “Bij een quantumcomputer zitten alle getallen er tegelijkertijd in.”

Als voorbeeld noemt hij een telefoongids – voor de jonge lezers: een groot boek met daarin de nummers en adresgegevens van alle mensen in een bepaalde regio, gerangschikt op achternaam. Als je alleen een telefoonnummer hebt, dan is het vrijwel onmogelijk om daar al bladerend de juiste naam bij te vinden. Een klassieke computer zou die aanpak wel hebben, die zou net zo lang nummers scannen tot het juiste nummer gevonden was. Bij een quantumcomputer gaat dat anders. “Die roept de functie aan op alle nummers tegelijkertijd. Is het niet het juiste nummer, dan krijgt dat nummer een 0, is het wel het juiste nummer, dan een 1.” Twintig qubits zijn al genoeg om een miljoen nummers tegelijkertijd aan te roepen.  

Voor een quantumcomputer is het belangrijk dat de qubits stabiel zijn, en daar zit volgens Kokkelmans nog een uitdaging. Soms raakt er namelijk weleens een qubit ‘kwijt’. Dat komt de betrouwbaarheid van de computer niet ten goede. Op dit moment is hij dan ook nog niet te gebruiken voor echte toepassingen, maar daar kan wel snel verandering in komen. “Ik hoop dat de mensen die de computer gaan gebruiken er dingen mee gaan doen die wij zelf niet kunnen. Wij zijn natuurkundigen. We maken een faciliteit en snappen wel wat van algoritmes, maar ik ben benieuwd waar anderen mee komen.”

Nieuwe mogelijkheden

Een groep bij Built Environment, onder leiding van Hamid Montazeri gaat gebruik maken van de computer. Kokkelmans: “Bij supercomputers lopen de onderzoekers tegen beperkingen aan, daarmee kunnen ze niet alles meer oplossen. Dit is een nieuwe richting die ze wellicht over een paar jaar die mogelijkheid wel biedt.”

De ontwikkelingen gaan volgens Kokkelmans in ieder geval razendsnel. “We zitten in een interessante fase waarin echt wat gebeurt de afgelopen jaren.” Of iedereen ook een quantumcomputer op zijn bureau zal hebben is de vraag, maar zelfs daarover is de hoogleraar steeds optimistischer. Hij zou graag zien dat er straks in een chip allemaal verschillende laserpulsjes komen voor elke qubit. “Als we dat voor elkaar krijgen dan denk ik dat het wel mogelijk is om chips te maken die tienduizend atomen tegelijkertijd kunnen bedienen.” Die ontwikkeling zou volgens hem over een paar jaar al werkelijkheid kunnen worden. Alhoewel… Hij stelt toch het verwachte aantal qubits nog een beetje bij: “Laten we daar maar honderden van maken.” Dat is toch een hele hoop, vergeleken met de negen die er nu online worden aangeboden. Maar het begin is er.

Fluid flow modeling

Allerlei soorten stromen komen voorbij in het werk van Hamid Montazeri: hoe lucht stroomt binnenin de chipmachines van ASML bijvoorbeeld, en hoe lucht rond windturbines beweegt. De berekeningen voor dat soort stromen zijn complex en bevatten veel details. Om inzichtelijk te krijgen hoe gas, water en lucht zich gedragen, gebruiken de onderzoekers computermodellen.

Montazeri laat een model zien, het is een visualisatie van wat er met de lucht rond een roterende windturbine gebeurt. Kleuren geven aan hoe snel de wind beweegt en er ontstaan kringeltjes rond het blad van de turbine. Zo’n model kan – zelfs met een supercomputer – wel weken duren om te verwerken. En een model van een heel windpark met meerdere roterende windturbines: dat kun je wel vergeten. Zelfs de meest geavanceerde supercomputers in de wereld zijn niet sterk genoeg om zulke simulaties te kunnen maken.

Algoritmes

Daarom houdt Montazeri de ontwikkelingen op het gebied van quantumcomputers al jaren nauwlettend in de gaten. Nu staat zijn team vooraan in de rij om gebruik te maken van de computer van de TU/e. Volledige simulaties creëren zal nog niet mogelijk zijn, maar de groep kan wel algoritmes uittesten en onderzoeken wat de meest efficiënte manier is om de quantumcomputer te gebruiken voor deze toepassing.

Het aantal te gebruiken qubits is nu misschien nog laag, maar hij heeft goede hoop voor de toekomst. “Quantum hardware wordt beter en beter, dus de software moet daar ook geleidelijk, schouder aan schouder in mee-ontwikkelen. Het doel is om onze algoritmes op de quantumcomputer te testen en die daarmee tegelijkertijd beter te maken. We moeten daar samen in groeien.” Hij ziet in ieder geval dat de algoritmes voor de quantumcomputer het verwerken van de simulaties vele malen sneller moet kunnen laten gaan. “Hoe snel, dat is afhankelijk van de complexiteit van de berekening en van hoe ver we zijn met de hardware en algoritmes, maar de eerste resultaten veelbelovend.”