Processors

Miljardeninitiatief van start met bouw van kwantumcomputer

Een miljard aan promotie voor de komende tien jaar, 5000 onderzoekers en al 20 projecten die in de startblokken staan: de EU doet een flinke gooi naar de koppositie in kwantumcomputing.

Er wordt met flinke getallen gegooid in het Quantum Flagship-intitiatief van de Europese Unie. Onderzoeksgeld van bij elkaar een miljard euro ondersteunt de komende tien jaar 5000 onderzoeken binnen Europese instituten. Die gaan samenwerken aan internationale projecten en bouwen onder andere een kwantumcomputer met 100 qubits, iets wat tot nu toe niet eerder is vertoond. Die computer moet in 2021 in werking worden gesteld en via de cloud beschikbaar komen.

Met dat offensief reageert de EU op China, dat al succes heeft met kwantumcryptografie, en grote concerns als Google, Intel, IBM en Microsoft, die de afgelopen twee jaar steeds grotere qubit-systemen voorstelden.

Een qubit of quantum-bit kan vergeleken met een normale bit niet alleen de status 0 of 1 hebben, maar ook een tussenvariant die superposition wordt genoemd, in elk geval voor korte tijd. Meerdere qubits vormen samen een kwantum-gate, waarbij de qubits samen kwantummechanisch verweven zijn. Een verandering bij een qubit heeft effect op alle andere. Kwantum-operators manipuleren dit register en aan het eind verschijnt een resultaat: een meting dwingt elke qubit in de status 0 of 1.

Het rekenen met superposition en entanglement vereist nieuwe algoritmes, maar dat zit al goed: aangezien een operatie op alle qubits tegelijk wordt toegepast, kan deze tegelijk meerdere oplossingsopties uitspugen. De enige problemen liggen nog bij de fysiektechnische implementatie, de stabiliteit van qubits in kwantumcomputers en de foutrate. De huidige toepassingen vereisen een temperatuur om en nabij het absolute nulpunt.

Samenwerking

Partners uit Duitsland, Zwitserland, Zweden, Finland en Spanje doen mee. De eerste Europese kwamtumcomputer komt te staan bij het onderzoekscentrum in Jülich, Duitsland. De ontwikkeling van de benodigde onderdelen is nog verre van routinewerk. Bij het OpenSuperQ-project gaat het erom de bestaande componenten verder te ontwikkelen en een werkend systeem te bouwen.

Uiteindelijk moet de kwantumcomputer een opensource besturingssysteem gaan draaien en zijn rekenkracht publiekelijk via de cloud beschikbaar maken. Op die manier worden vanaf 2021 early-adopters bij het project betrokken. De zoektocht naar passende problemen voor de aankomende kwantumcomputer is op zichzelf iets wat nog onderzocht moet worden. Tot nu toe zijn er nog maar weinig toepassingsgebieden bekend waarvoor algoritmes zijn ontwikkeld en waar de nieuwe techniek zijn kracht kan laten zien.

OpenSuperQ gaat vooral chemische processen simuleren. De onderzoekers verwachten dat de computer machine-learning merkbaar kan versnellen en het gebruik van AI kan stimuleren.

VS vs EU

Onderzoekers in de US hebben een sterke sprint ingezet en zijn drie jaar eerder dan in de EU van basisonderzoek overgestapt op toegepast onderzoek. Het doet wat denken aan de Sputnik-shock in 1957 toen het Westen moest toekijken hoe de Russen hun eerste kunstmatige satelliet in een baan om de aarde brachten. Uiteindelijk nam NASA met hun maanprograrmma weer de leiding. Voor de EU is er geen reden om zich geïntimideerd te voelen. Van de aangekondigde grote kwantum-cpu's uit de VS zijn nog geen resultaten bekend. Het komt aan op de betrouwbaarheid van de operations en de foutrate. Als OpenSuperQ met 100 qubits een acceptabele foutrate haalt, zit de EU qua onderzoek minimaal op dezelfde hoogte als de VS.

De kracht van het Europese programma zit hem in het samenwerken tussen hogescholen, bedrijven en grote onderzoekscentra. In Amerika wordt de kwantumtechniek gedomineerd door onderzoekscentra van bedrijven, en die sturen op geheimhouding. Het aantal onderzoekers dat ergens aan werkt is daardoor beperkt.

Communiceren zonder afluisteren

De ontwikkeling van de kwantumcomputer is slechts een van de vier pilaren van het Quamtum Flagship-initiatief. Verder ligt er nadruk op veilige kwantumcommunicatie, kwantumsimulators en kwantumsensors. Voor het project werden al 20 multinationale onderzoeksprojecten voorgesteld en gestart.

De meeste kwantumsystemen moeten extreem worden gekoeld, maar de afluisterbestendige kwantumcommunicatie werkt al op kamertemperatuur. Omdat databits in losse fotonen worden gecodeerd, is de techniek fysiek bestand tegen afluisteren. Kwantummechanische effecten ontwarren direct de opgeslagen of gekopieerde berichten direct. Een ander onderzoeksproject, UNIQORN, werkt eraan om de systemen voor fotonische kwantumcommunicatie te verkleinen. Het doel is onderdelen te ontwikkelen die massaal geproduceerd kunnen worden, om zo kwantumcommunicatie betaalbaar te maken voor iedereen. (avs)