Capgemini is verantwoordelijk voor de inhoud van dit artikel

De quantumcomputer is klaar voor de grote doorbraak

De quantumcomputer staat op het punt om een reuzensprong te maken: van laboratoriumexperiment naar razendsnelle computer voor praktische toepassingen. Bedrijven, overheden en universiteiten moeten zich nu al op die revolutionaire rekenaar voorbereiden.

Eind oktober publiceerden onderzoekers van Google in het wetenschappelijke toptijdschrift Nature een doorbraak in de ontwikkeling van een praktische quantumcomputer. Google demonstreerde een mini-quantumcomputer die in iets meer dan drie minuten een berekening uitvoerde die volgens het bedrijf tienduizend jaar zou kosten op een klassieke computer. Concurrent IBM haastte zich echter te zeggen dat ze hetzelfde rekenprobleem op de krachtigste Amerikaanse supercomputer ook wel in tweeënhalve dag konden kraken. IBM is een van de marktleiders op het terrein van quantumcomputing en heeft naast de meest geavanceerde quantumcomputers ook de grootste gemeenschap die gebruikmaakt van zijn geavanceerde machines.

Quantumalgoritmes en -hardware

Zelfs als IBM gelijk heeft, dan doet dat niets af aan de prestatie van Google, vindt hoogleraar theoretische natuurkunde Kareljan Schoutens van de Universiteit van Amsterdam (UvA): ‘Google heeft een bijzonder kunststukje geleverd. Ook eerder dan ik had gedacht.’ Behalve hoogleraar is Schoutens ook medeoprichter van QuSoft, het Nederlandse onderzoekscentrum voor de ontwikkeling van software voor quantumcomputers. QuSoft is een samenwerking van het Centrum Wiskunde en Informatica (CWI) en de twee Amsterdamse universiteiten UvA en VU. Schoutens: ‘Ons doel is om optimaal gebruik te maken van de quantumcomputer wanneer die er eenmaal is. We ontwikkelen nu al de quantumalgoritmes en software die kunnen draaien op toekomstige quantumhardware.’

Bijzonder moment in de tijd

‘Dit is een bijzonder moment in de tijd. Onderzoekers verwachten dat het rekenvolume van quantumcomputers elke paar jaar zal verdubbelen’
Kareljan Schoutens, UvA / QuSoft

Een commercieel verkrijgbare quantumcomputer is nog volop in ontwikkeling. Tot nu toe bestaat de revolutionaire rekenaar alleen nog maar in enkele onderzoekslabs ter wereld. Daar telt hij maximaal enkele tientallen quantumbits, het quantumequivalent van de klassieke eenheid van informatie: de bit. Tot aan Google’s huzarenstukje was het aantal quantumbits nog te laag om klassieke computers te verslaan. ‘Google rekent met een chip die 53 quantumbits bevat’, vertelt Schoutens. ‘Maar het zal niet lang meer duren voordat rekenen met honderd quantumbits mogelijk is. In het Nature-artikel zeggen de onderzoekers te verwachten dat het rekenvolume van quantumcomputers elke paar jaar zal verdubbelen. En het rekenvolume is een combinatie van het aantal quantumbits en de kwaliteit daarvan. Dan gaat de ontwikkeling hard. Dit is een bijzonder moment in de tijd. De quantumhardware is razendsnel voldoende goed aan het worden om er praktische problemen mee op te lossen.’

Capgemini stimuleert quantum-ecosysteem

Bij Capgemini is big data engineer Julian van Velzen verantwoordelijk voor het verkennen van de impact van quantumcomputing. ‘Wij willen onze klanten helpen om vooruit te kijken en zich voor te bereiden op de komst van de quantumcomputer.’ Dat vergt niet alleen technische expertise, maar ook de ontwikkeling van een ecosysteem waarin universiteiten, bedrijven en overheden met elkaar samenwerken. ‘Als Capgemini hebben we daar een goede positie in’, zegt van Velzen. ‘Zo onderzoeken we welke use-cases de quantumcomputer voor een bepaalde organisatie kan hebben. Ook helpen we bij het vormen van strategische partnerschappen of bij het realiseren van promotieplekken.’

Nuttige toepassingen

‘Wij willen onze klanten helpen om zich voor te bereiden op de komst van de quantumcomputer’
Julian van Velzen, Capgemini

Op de korte termijn gaat de quantumcomputer volgens van Velzen vooral een rol spelen in bedrijfstakken die nu al volop gebruikmaken van high performance computing, zeg maar het hele zware rekenwerk. Van Velzen: ‘Denk aan het doorrekenen van luchtstromingen rond een vliegtuig, zoals vliegtuigbouwers dat doen. Of simulaties in de stromingen van olie en gas, zoals oliemaatschappijen die gebruiken.’

Zowel Van Velzen als Schoutens zien daarnaast grote waarde van de quantumcomputer in het beter begrijpen hoe de natuur op quantummechanisch niveau werkt. Van Velzen: ‘Bijvoorbeeld door met een quantumcomputer na te bootsen hoe moleculen zich gedragen. In praktische zin kan dat bijvoorbeeld de ontwikkeling van nieuwe materialen en medicijnen versnellen. Zo kun je met 86 quantumbits een cafeïne-molecuul simuleren en met 170 quantumbits het nog grotere penicilline-molecuul. Ook is de verwachting dat de quantumcomputer een van de belangrijkste chemische processen ter wereld, het proces om kunstmest te maken, sterk zou kunnen verbeteren. Nu kost dat proces twee tot drie procent van het volledige wereldwijde energieverbruik. Een efficiënter chemisch proces zou dus veel energie kunnen besparen.’

Optimalisatie

Een tweede belangrijke toepassing van de quantumcomputer ligt in het optimaliseren van bepaalde problemen. Van Velzen: ‘Bijvoorbeeld het optimaliseren van de routing van voertuigen als treinen en vliegtuigen, de allocatie van productiemiddelen in fabrieken, of de portfolio-optimalisatie in de financiële wereld.’ Schoutens vult aan: ‘We hebben al quantumsoftware ontwikkeld om problemen als het vinden van de snelste route, zoals een navigatiesysteem doet, het optimaliseren van het treinverkeer of het zoeken in grote databergen veel sneller op te lossen dan een klassieke computer kan.’

Informatieversleuteling

Een derde toepassing ligt op het terrein van cybersecurity. Schoutens: ‘Aan de ene kant kan een quantumcomputer de meest gebruikte huidige manier van informatieversleuteling kraken. Dat zou bijvoorbeeld iedereen die via internet bankiert direct raken. Op zichzelf is dat natuurlijk slecht nieuws. Maar anderzijds zien we dat aankomen en hebben we ook al quantumversleuteling ontwikkeld die zelfs de quantumcomputer niet kan kraken. De komst van de quantumcomputer kunnen we dan ook aangrijpen om onze informatieversleuteling sterk te verbeteren.’

Kunstmatige intelligentie

Mogelijk is er nog een vierde belangrijke toepassing van de quantumcomputer: kunstmatige intelligentie, het steeds slimmer maken van computers. ‘Deze toepassing is de grote onbekende’, zegt Schoutens. ‘Niemand weet nog of de quantumcomputer echt nuttig gaat zijn om kunstmatige intelligentie vooruit te helpen. Dat wordt nog volop onderzocht.’

Op de lange termijn zal de quantumcomputer nieuwe businessmodellen gaan creëren en oude businessmodellen bedreigen, zegt van Velzen. ‘Een van de uitdagingen is om voldoende gekwalificeerde mensen op te leiden die bedrijven in de toekomst helpen om op tijd te reageren op de impact van quantumcomputing.’

Nederland sterk vertegenwoordigd

De internationale competitie in de ontwikkeling van een quantumcomputer is hevig. China investeerde alleen al in 2018 tien miljard dollar in quantumcomputing. In de VS lopen bedrijven als Google, Microsoft, Intel en IBM voorop, in hun kielzog gevolgd door talloze start-ups. In deze wereldwijde competitie heeft Nederland goede papieren, zegt van Velzen. ‘Voor de ontwikkeling van quantumhardware hebben we onderzoekscentrum QuTech, een samenwerking van de TU Delft en TNO. En voor de ontwikkeling van quantumsoftware hebben we dus het onderzoekscentrum waar Schoutens bij is betrokken: QuSoft.’ Daarnaast hebben vertegenwoordigers van de wetenschap, het bedrijfsleven, kennisinstituten, overheid en maatschappelijke organisaties samen eerder dit jaar een Nationale Agenda Quantumtechnologie gepubliceerd. Capgemini heeft daar ook aan meegeholpen. De Nationale Agenda Quantumtechnologie heeft op een rij gezet waar voor Nederland de kansen liggen en welke actiepunten nodig zijn om een Nederlands quantumecosysteem te vormen dat wereldtop is.

Quantumcomputer vs. klassieke computer

‘Het is een groot misverstand dat de quantumcomputer in alles beter is dan een klassieke computer. Dat is absoluut niet het geval’
Kareljan Schoutens

Hoewel de quantumcomputer revolutionaire mogelijkheden biedt, is het grootste misverstand volgens Schoutens dat hij in alles beter is dan een klassieke computer. ‘Dat is absoluut niet het geval. In de toekomst zal de quantumcomputer voor specifieke rekentaken worden gebruikt. In het meest realistische scenario zullen er op strategische plaatsen in de wereld, bij sommige universiteiten, onderzoekscentra en bedrijven, quantumcomputers staan, maar niet bij iedereen thuis.’

Waarom is een quantumcomputer zo revolutionair?

Elke computer verwerkt informatie. En alle informatie, of het nou getallen zijn of teksten, beelden of geluiden, kan in zogeheten bits worden vertaald. Een bit is ofwel een 0 ofwel een 1. Elke klassieke computer rekent met bits.

Een quantumcomputer rekent echter met quantumbits. Die hebben de vreemde quantummechanische eigenschap dat ze tegelijkertijd 0 en 1 kunnen zijn, iets wat geheel tegen de menselijke intuïtie ingaat, maar toch bestaat in de natuurkundige wereld van het hele kleine. In die wereld van de quantummechanica heet het dan dat een quantumbit zich in een superpositie van 0 en 1 bevindt.

Rekenen met quantumbits heeft tot gevolg dat een quantumcomputer een heleboel berekeningen tegelijk kan uitvoeren, die een klassieke computer alleen maar achter elkaar kan berekenen. In plaats van het een voor een optellen van getallen, kan een quantumcomputer bijvoorbeeld alle getallen tegelijkertijd bij elkaar optellen. Een quantumcomputer met voldoende quantumbits kan daarom rekenproblemen aan die geen enkele klassieke computer in een realistische tijd kan oplossen.

Korte geschiedenis van de quantumcomputer

In 1981 was de beroemde natuurkundige Richard Feynman de eerste die bedacht dat een quantumcomputer de meest geschikte computer is om de natuur- en scheikunde van atomen en moleculen mee te berekenen. Atomen en moleculen worden namelijk geregeerd door de wetten van het hele kleine, de quantummechanica. In de jaren negentig van de twintigste eeuw werden de eerste quantumbits gemaakt en ontdekten onderzoekers talloze andere mogelijke toepassingen van de quantumcomputer. Nederland loopt al decennia voorop in het wetenschappelijk onderzoek naar de quantumcomputer. In de afgelopen jaren zijn voor het eerst op laboratoriumschaal quantumcomputers gebouwd die uit tientallen quantumbits bestaan. De sprong naar commerciële toepassingen is daarmee dichtbij gekomen.

Neem voor meer informatie contact op met Julian van Velzen, Quantum Computing Lead bij Capgemini:

Bronnen

Nature News over het Nature-artikel van de Google-onderzoekers: https://www.nature.com/articles/d41586-019-03213-z

Nationale Agenda Quantumtechnologie: https://qutech.nl/wp-content/uploads/2019/09/TNO-2019-R11338.pdf

QuTech: https://qutech.nl

QuSoft: http://www.qusoft.org

Onderwerpen