April 2021
Quantum computer neemt serieuze vormen aan
Opvallend
In 1981 werd al het idee voor de quantum computer geopperd. 40 jaar later is er een beperkte capaciteit beschikbaar waarmee vooral wordt geëxperimenteerd in het kader van de wetenschap. De roadmap van ibm richt zich op een grootte van meer dan duizend quantumbits of qubits in 2023. De verwachting is dat rond die tijd organisaties die quantum computing gebruiken een voordeel hebben ten opzichte van andere organisaties.
De achterliggende reden om een quantumcomputer te ontwikkelen was vanaf het begin de mogelijkheid om natuurlijke processen te kunnen simuleren die verlopen op basis van quantummechanica. Hierbij valt te denken aan uiteenlopende complexe chemische processen die onder meer nodig zijn voor de ontwikkeling en productie van medicijnen. Bij deze processen zijn dermate veel parameters betrokken, die bovendien ook nog eens invloed hebben op elkaar, dat de rekenkracht van de huidige computersystemen – hoe groot ook – niet toereikend is.
Cor van der Struijf, Quantum Ambassadeur bij ibm: ‘Omdat een quantumcomputer op een wezenlijk andere manier werkt dan een traditionele computer, is de verwachting dat de hiermee te behalen rekencapaciteiten vele malen groter zijn. Het grootste verschil zit in het feit dat traditionele computers met bits werken die een 0 óf een 1 zijn. Quantum computers werken met zogenaamde qubits die gelijktijdig een 0 én een 1 kunnen zijn. Dit wordt superpositie genoemd en maakt het mogelijk om berekeningen parallel aan elkaar uit te voeren in plaats van sequentieel. Dit levert niet alleen mogelijkheden op in de farmaceutische en andere vormen van chemische industrie, maar bijvoorbeeld ook voor complexe vraagstukken in de financiële wereld, bij vloeistofdynamica en Artificial Intelligence.’
Quantumvolume
Het aantal qubits van de eerste machine die ibm 35 jaar later (in 2016) aanbood via de cloud was 5. De reden dat de ontwikkeling deze machine zo lang in beslag heeft genomen, hangt samen met onder andere de instabiliteit van de qubits (ze zijn een aantal microseconden stabiel) als de omstandigheden waaronder ze operationeel zijn: bij temperaturen net 0,15 °C boven het absolute nulpunt. ‘Inmiddels is er meer inzicht over het verbeteren van quantumcomputers’, geeft Van der Struijf aan. ‘Hiervoor is binnen ibm een roadmap opgezet waarin verschillende ontwikkelingsthema’s zijn aangegeven. Als eerste moeten we quantumcomputers hebben met een voldoende aantal qubits die ook voldoende stabiel zijn. Vorig jaar zomer bereikten we de 65 qubits en we willen dit verder uitbouwen tot 433 in 2022, 1.121 in 2023 tot meer dan een miljoen in de jaren daarna. Daarbij gaat het niet alleen om het aantal qubits, maar ook om de kwaliteit ervan. In de term ‘quantum volume’ worden de verschillende elementen, zoals aantal qubits, kwaliteit en aansturing, meegenomen om de kracht van de quantumcomputer aan te geven. We verwachten dat dit quantumvolume elk jaar verdubbelt; een snelheid die doet denken aan de Wet van Moore.’
Software, algoritmes en modellen
Nu het quantumvolume langzaam voldoende groot gaat worden voor andere toepassingen dan alleen wetenschappelijke experimenten om de mogelijkheden van de quantumcomputer af te tasten, raakt ook de ontwikkeling van de benodigde software in een versnelling. Zo worden inmiddels de eerste algoritmes ontwikkeld voor serieuze toepassingen op het vlak van optimalisatie, machine learning en natuurwetenschappen. ‘Vanaf 2023, wanneer we verwachten boven de 1.000 qubits te zijn, is de aanname dat organisaties die quantum computing gebruiken een voordeel hebben ten opzichte van andere organisaties.’ De meeste organisaties zullen overigens geen quantumcomputer aanschaffen, aangezien quantum capaciteit via de cloud beschikbaar is. Cor van der Struijf: ‘Er breekt wat dat betreft een interessante tijd aan waarin we samenwerken met een groot scala van verschillende organisaties, waaronder universiteiten, research centers, Fortune 500-bedrijven en startups.’
Samenwerking Universiteit Maastricht
Eind 2020 trad de Universiteit Maastricht (UM) als eerste Nederlandse universiteit toe tot het ibm Quantum Network. Dit netwerk is een samenwerkingsverband van Fortune 500-bedrijven, academische instellingen, startups en nationale onderzoekslaboratoria die met ibm samenwerken om vorderingen op het gebied van quantum computing te maken. De samenwerking tussen ibm en UM richt zich in eerste instantie op het uitvoeren van berekeningen ten behoeve van de toekomstige Einstein Telescope (zwaartekrachtdetector) en geüpgradede LHCb-deeltjesdetector van de High-Luminosity Large Hadron Collider bij cern. Beide detectoren staan gepland rond het eind van dit decennium en vereisen waarschijnlijk de rekenkracht van een quantumcomputer vanwege de verwachte realtime gegevensverzameling en -verwerking, gecombineerd met de hoge gevoeligheid en superieure hardware van de detectoren.
Tekst: ing. M. de Wit - Blok
Fotografie: IBM
Meer weten over innovatieve technieken en ontwikkelingen?
Meld u dan nu aan voor onze gratis nieuwsbrief.