Dromen van de quantumcomputer

Razendsnel berekeningen doen, zodat je nog beter nieuwe medicijnen kan ontwikkelen. Dat is in de toekomst onder meer mogelijk met een quantumcomputer. Het is de droom van Fabio Sebastiano van de faculteit EWI en QuTech (een samenwerking tussen TU Delft en TNO). Hij bedenkt oplossingen om dit apparaat echt mogelijk te maken.

Heel nauwkeurig de werking van een nieuw geneesmiddel razendsnel uitrekenen. Nu is dit vaak nog lastig, omdat zelfs heel veel computers samen er lang over doen. Soms lukt het zelfs helemaal niet om zeer ingewikkelde berekeningen uit te voeren, omdat de huidige computers dit nog niet aan kunnen. ‘Maar een quantumcomputer, zo is de verwachting, lukt dit wel. Die voert supersnel berekeningen uit. Zodat je nieuwe materialen kunt ontwerpen die beter voor het milieu zijn, nagaat hoe medicijnen het beste werken en ook vliegtuigsimulaties nog nauwkeuriger maakt,’ zegt Fabio Sebastiano. Hij is verbonden aan de faculteit EWI van de TU Delft en QuTech, waar quantumcomputers worden ontwikkeld.

Een quantumcomputer die knappe kunstjes verricht, de wetenschap een boost geeft en mensen helpt genezen is een vergezicht. Het is er namelijk nog niet. Maar er wordt al wel hard aan gewerkt, onder meer door wetenschappers in Delft zoals Sebastiano.

Zij proberen te doorgronden hoe quantumcomputers het beste gebouwd en gebruikt kunnen worden. Het gaat immers om apparaten die ingewikkeld in elkaar zitten, nog complexer dan de huidige computers. Misschien heb je er nooit bij stil gestaan, maar als jij een spelletje speelt, over het internet surft of online filmpjes kijkt dan maken de huidige computers en smartphones voortdurend berekeningen. Ze doen dat met zogeheten bits, die een één of een nul kunnen zijn. Met deze twee getallen rekenen ze vliegensvlug van alles en nog wat uit zodat jij dat filmpje, artikel of een game haarscherp op je scherm ziet.

Het apparaat zit ingewikkeld in elkaar, nog complexer dan de huidige computers.

IJskoude deeltjes

Een quantumcomputer werkt net even anders. ‘Daarbij heb je geen bitjes maar zogeheten quantumbits, ook wel qubits,’ zegt Sebastiano. Die qubits zijn de bouwstenen van deze computer van de toekomst. Ze hebben als groot voordeel dat ze tegelijkertijd een één en nul kunnen zijn. Dit heet een superpositie. Dankzij dit en andere effecten is het mogelijk om nog veel sneller berekeningen te doen. De rekenkracht van qubits is daarom ook veel groter dan die van gewone bits.

Een speciale processor manipuleert hiervoor de qubits. Maar dat is nog niet alles. ‘Want dit is bij de meeste qubits alleen mogelijk bij een zeer lage temperatuur. Anders werken zij namelijk niet. En dus moeten we ze tot -273 graden Celsius koelen,’ zegt Sebastiano. Om die qubits te kunnen gebruiken, moet je ze aflezen en schrijven, en dat doe je door te checken welk elektronisch signaal binnenkomt en vertrekt. ‘Dat is mogelijk door kabels te gebruiken. Elk van die kabels is verbonden met de qubit aan de ene kant en de computerelektronica aan de andere kant. De kabel moet lang genoeg zijn zodat de qubits fors gekoeld worden en de elektronica op kamertemperatuur blijft.’ Onderzoekers slaagden er met deze aanpak al in om een kleine quantumcomputer te bouwen. Neem techgigant Google, die een apparaat bouwde van 53 qubits. Dat is een knappe prestatie, maar in de toekomst willen onderzoekers een versie bouwen met duizenden of miljoenen van deze qubits.

Als je kabels moet gebruiken om de qubits aan te sluiten op elektronica bij kamertemperatuur en de koeling in de quantumcomputer, is dat vrijwel onmogelijk.

Zonder ellenlange kabels

En dan ontstaat een probleem. Want zo’n vijftig kabeltjes voor vijftig qubits is zeker mogelijk en een paar honderd lukt ook nog wel. Maar miljoenen qubits is een ander verhaal, want het is vrijwel onmogelijk om miljoenen qubits bij kamertemperatuur aan te sluiten op elektronica. ‘Je hebt dan een doolhof aan kabeltjes en heel veel ruimte nodig. Dat gaat echt niet. Het apparaat wordt veel te groot, onbruikbaar en onbetrouwbaar,’ zegt Sebastiano. ‘Het is de nachtmerrie van een ingenieur.’

Het onderzoek van Sebastiano komt daarbij van pas. Hij zoekt naar manieren om de qubits goed samen te laten werken met de elektronica in de quantumcomputer, zonder dat er ellenlange kabels nodig zijn. ‘Ik hoop dat het lukt, zodat we in de toekomst echt die ontzettend lastige berekeningen kunnen doen. Dat is mijn ultieme droom,’ zegt Sebastiano.

Die droom is om de superkoude qubits goed te laten samengaan met die elektronica. Dat is niet eenvoudig. Want de bestaande elektronica werkt tussen de +125 en -55 graden Celcius en dus op een veel hogere temperatuur dan de qubits. Is het überhaupt mogelijk dit samen te voegen in één apparaat? ‘Ik denk van wel,’ zegt Sebastiano. En de oplossing ligt in de CMOS, volgens hem. Dat is een technologie waarvan veel mensen de naam niet kennen, maar dat we in vrijwel alle apparaten gebruiken: zoals mobiele telefoons, slimme speakers en televisies. CMOS verbruikt heel weinig energie en maakt het mogelijk om veel berekeningen uit te voeren, zodat jij van alles met je telefoon en computer kunt doen.

Ik heb altijd graag op de grens van mijn eigen vakgebied gewerkt

Werken op de grens van je kennis

Op zo’n CMOS-chip zitten miljarden transistoren, die de berekeningen uitvoeren. Precies wat je voor een quantumcomputer met miljoenen qubits ook kan gebruiken. ‘Wij proberen een soortgelijke aanpak en willen dan de elektronica en qubits vlak bij elkaar bouwen. We proberen de temperatuur van de elektronica zoveel mogelijk naar beneden te brengen en de temperatuur van de qubits een beetje op te rekken. Dat klinkt misschien als een gek idee, want valt dit wel op te rekken? Onderzoek in Delft laat zien dat dit waarschijnlijk mogelijk is. Maar we moeten dan wel direct aan het hele systeem denken: aan de elektronica, de koeling, de qubits en hoe je alle materialen maakt. Omdat alles elkaar beïnvloedt, willen we dat als heel systeem uitdenken. Ik denk echt dat het dan mogelijk is om mijn droom te bereiken: elektronica en qubits vlakbij elkaar brengen.’

Sebastiano formuleert zijn zinnen bedachtzaam. Hij legt geduldig uit welke stappen nodig zijn om de quantumcomputer mogelijk te maken. Zo gaat hij ook te werk. Hij is rustig, zegt hij zelf. Altijd al geweest, ook als kind. Zijn vrouw maakt soms zelfs de grap dat hij wat langzaam is. Maar in die bedachtzaamheid schuilt ook de kracht van de onderzoeker. Met dit karakter en deze aanpak probeert hij de oplossingen te bedenken en de werking van de qubits en elektronica te doorgronden.

Dat is ook nodig omdat Sebastiano aan het pionieren is. Hij werkt binnen QuTech en de faculteit EWI samen met verschillende disciplines. Hij is zelf micro-elektronicus, maar werkt in zijn huidige onderzoek veel met natuurkundigen. ‘We hebben hetzelfde doel, maar wel een andere achtergrond. Ik heb altijd graag op de grens van mijn eigen vakgebied gewerkt. Daar vinden de meest interessante ontwikkelingen plaats. Om de quantumcomputer mogelijk te maken heb je de stevige kennis van de natuurkunde nodig om de qubits te begrijpen, maar ook ingenieurs zijn onmisbaar omdat zij weten hoe je het apparaat bouwt.’

Je moet je daarom in de ander kunnen verplaatsen. ‘Het probleem bekijken vanuit een ander vakgebied is daar een goed voorbeeld van. Ik hou er sowieso van om me in anderen te verplaatsen. Ik lees al van jongs af aan veel boeken. Ik ben vooral gek op literatuur. Daarbij verplaats je je in andere personages en kruip je in hun huid. Ik neem dat ook mee naar mijn werk. Iedere keer wanneer we oplossingen voor problemen zoeken, dan vraag ik hoe iemand anders er tegenaan kijkt. Dat kan iemand van mijn team zijn, een collega met een andere achtergrond of studenten. Met deze aanpak krijg je nieuwe gezichtspunten en levendige discussies. En die zijn nodig want we werken aan een apparaat dat nog helemaal niet bestaat, maar als het lukt een enorm verschil zal maken.’

Tekst: Robert Visscher | Fotografie: Frank Auperlé