De weg naar Eindhovens hybride quantumcomputer

Onze dagelijkse afhankelijkheid van computers is vanzelfsprekend. We gebruiken computers om e-mails te versturen, meubels te bestellen, onze favoriete Marvel-films te bekijken en met mensen over de hele wereld te chatten.

Computers hebben daarnaast geleid tot mogelijkheden in de samenleving die ooit onvoorstelbaar waren. In de industrie hebben computers gezorgd voor verbetering en optimalisatie van de productieprocessen, creatie van nieuwe productlijnen en afname van de hoeveelheid vervelend papierwerk.

In de wereld van wetenschap en techniek hebben computers bijgedragen aan het ontstaan van nieuwe disciplines zoals numerieke simulaties, bio-informatica en computational design. In veel disciplines zou wetenschappelijke vooruitgang onmogelijk zijn geweest zonder de computer.

Quantumondersteuning

Toch staat zelfs de huidige generatie supercomputers voor onoverkomelijke hindernissen bij het oplossen van problemen in bepaalde disciplines zoals geneeskunde, quantumchemie en materiaalwetenschap.

Gelukkig wint het quantumtijdperk aan kracht, met onderzoekers zoals Associate Professor Servaas Kokkelmans, directeur en een van de belangrijkste verdedigers van quantumtechnologieën bij QT/e – Center for Quantum Materials and Technology Eindhoven. Dit is het speciale onderzoekscentrum voor quantumtechnologieën van de TU/e.

Hij werkt aan een toekomst waarin quantumcomputers een vergelijkbare impact op de maatschappij kunnen hebben als de klassieke computer in het verleden. "Quantumonderzoekers willen allemaal de quantumtechnologie vooruit helpen, en in Eindhoven streven we naar een zeer unieke interpretatie van de quantumcomputer: een hybride quantumcomputer. Dat is een computer die klassieke en quantumcomputertechnologieën combineert", zegt Kokkelmans. "We hebben het klassieke deel van dit probleem gekraakt, maar het quantumdeel behoeft nog aanpassingen."

Het bouwen van een succesvolle quantumcomputer zit vol uitdagingen. Eerst moet een ontwerp worden overwogen, geëvalueerd en herzien. Zodra een quantumcomputerontwerp theoretisch is bevestigd, is de volgende stap het daadwerkelijke bouwen van het ontwerp. Dit vereist bepaalde materialen die onder specifieke omstandigheden moeten worden opgeslagen, en zoals dat kan nogal problematisch zijn.

Maar voordat we ons verdiepen in de uitdagingen die gepaard gaan met het bouwen van quantumcomputers, laten we eerst de fundamentele component van een quantumcomputer ontmoeten - de qubit.

Vervanging van "1 of 0" door "1 én 0"

Klassieke computers slaan gewoonlijk informatie op als bits die een van twee waarden kunnen hebben - 1 of 0. Met andere woorden, ze slaan informatie binair op. Elke dag verandert u de informatie in de bits van het computergeheugen, microprocessoren, grafische kaarten en magnetische opslagapparaten. Uw leven is eigenlijk slechts de som van veranderende bits.

In quantumcomputers worden de klassieke bits vervangen door quantumbits of qubits. Voorbeelden van qubits zijn fotonen (met horizontale of verticale polarisatie) of elektronen (met spin-up of spin-down).

Dankzij de wonderen van de quantummechanica kan een qubit zowel een 1- als een 0-waarde tegelijk opslaan, en alle andere toestanden daartussenin. Dit contra-intuïtieve quantumgedrag staat bekend als superpositie, en het betekent dat een groep qubits in theorie alle programmeerbare waarden tegelijkertijd kan opslaan.

In magnetische opslagapparatuur of halfgeleidermaterialen in klassieke computers worden bits voorgesteld als kleine staafmagneten of een geheugencel die respectievelijk uit een of meerdere transistors bestaat. Bij magnetische materialen kunnen de kleine staafmagneten omhoog of omlaag wijzen, waarbij deze toestanden 1 of 0 vertegenwoordigen.

Om qubits te maken moet je daarentegen kijken naar de atomaire schaal, meer specifiek de elektronen die om de atoomkern draaien.

"Atomen zijn de perfecte qubits omdat ze allemaal hetzelfde zijn. Bovendien geven ze ons toegang tot twee bepaalde toestanden - spin-up en spin-down - die verbonden zijn met elk elektron dat om de kern draait", zegt Kokkelmans. "Echter kunnen alleen bepaalde atomen als qubits worden gebruikt, en om te zorgen dat ze stabiel blijven voor een hybride quantumcomputer, moeten deze atomen bovendien ultrakoud zijn."

Het koelen van de juiste qubits

Hoewel alle atomen elektronen hebben, zijn alleen bepaalde atomen geschikt om als qubits te worden gebruikt. Met één elektron in een baan om zijn kern lijkt waterstof misschien de perfecte qubit. Niets is minder waar. "Een van de redenen dat waterstof niet wordt gebruikt is dat het heel moeilijk is om af te koelen en te vangen. Veel mensen hebben dit geprobeerd in het laboratorium", zegt Kokkelmans.

Passende qubit-atomen liggen elders in het periodiek systeem in de vorm van rubidium (Rb) en strontium (Sr), die respectievelijk in de eerste en tweede kolom van het periodiek systeem te vinden zijn. Kokkelmans en zijn collega's hebben veel ervaring met het werken met rubidium voor quantumapparaten, maar het is niet het perfecte qubit-atoom. "Rubidium is een zwaar atoom en gemakkelijk af te koelen, maar er zijn problemen met de getrouwheid - dat is een maatstaf voor hoe dicht je quantumsysteem bij de gewenste quantumtoestand is."

Het alternatief is het gebruik van strontiumatomen. "Strontiumatomen zijn moeilijker te hanteren of te koelen in vergelijking met rubidiumatomen, maar ze hebben een betere getrouwheid dan rubidiumatomen. Om deze reden kunnen we proberen het atoom te veranderen en onze hybride quantumcomputer op de TU/e te bouwen met behulp van ultra-koude, strontiumatomen", zegt Kokkelmans.

Contra-intuïtief worden er lasers gebruikt om atomen extreem te koelen, tot temperaturen in het microkelvin-gebied. Kokkelmans heeft een mooie analogie om het gebruik van lasers in de koeling te verklaren. "Stel je een atoom voor als een voetbal, en dat de laser fotonen uitzendt die je kunt zien als kleine pingpongballetjes. Als we lasers vanuit verschillende richtingen op een atoom schijnen, raken de fotonen het atoom vanuit alle richtingen. Het gevolg is dat het atoom in alle richtingen wordt vertraagd en vervolgens wordt opgesloten in een ultrakoude optische val.”

Quantum decoherentie - de vijand van de quantumcomputer

Naast om te koelen worden lasers ook gebruikt om atomen op te wekken tot zogenaamde ‘Rydberg-toestanden’, wat nodig is om de interactie tussen naburige qubits te bevorderen.

In een kristallijne vaste stof liggen de atomen heel dicht bij elkaar en kunnen ze elkaar de hele tijd voelen of op elkaar reageren. Deze opstelling zou niet werken voor een verzameling qubit-atomen, omdat het dan bijna onmogelijk is om de afzonderlijke atomen met behulp van lasers te isoleren.

Als onderdeel van hun werk maken Kokkelmans en zijn medewerkers kunstmatige kristallen waarbij de atomen in een regelmatig raster worden gerangschikt met behulp van een optisch pincet - een andere term voor een gefocuste laser die gebruikt wordt om een atoom vast te houden. De atomen liggen echter veel verder uit elkaar dan in een normaal kristal. Ze gebruiken een speciale truc om de atomen elkaar te laten voelen. "We prikkelen de atomen naar Rydberg-toestanden. Hierdoor kunnen we de atomen ver genoeg uit elkaar houden zodat ze geïsoleerd zijn, maar als ze geprikkeld zijn, kunnen ze elkaar nog steeds voelen", legt Kokkelmans uit.

De stabiliteit van de quantumtoestand van de ultrakoude qubits kan door vele factoren worden beïnvloed. Externe warmte of trillingen kunnen de ultra-koude qubits verstoren, terwijl de betrouwbaarheid van de lasers die gebruikt worden om de atomen vast te houden en te manipuleren een negatief effect kan hebben. Dit kan leiden tot quantumdecoherentie van de qubits, waardoor de superpositie en verstrengeling van de qubit-quantumtoestanden begint te verdwijnen.

"Je kunt quantumdecoherentie zien als de vijand van de quantumcomputer, en dit is iets waar we ons echt zorgen over moeten maken," zegt Kokkelmans. In principe is het mogelijk om voor deze effecten te corrigeren met quantumfoutcorrectie, waarbij extra qubits worden gebruikt om eerdere quantumtoestanden op te slaan.

De drempels voor de toepassing van deze technieken zijn echter vrij hoog, en onderzoekers wereldwijd zijn nog ver verwijderd van de implementatie ervan. Dit is typerend voor het huidige tijdperk van de quantumberekening, dat bekend staat als het Noisy Intermediate Scale Quantum (NISQ) regime. Dit verwijst naar qubit-apparaten die onderworpen zijn aan decoherentie zonder foutcorrectie, die op de drempel staan om quantumversnelling aan te tonen ten opzichte van klassieke computers.

Hybride quantumcomputer - het beste van twee werelden

Zodra een betrouwbare en stabiele methode voor het opslaan van ultrakoude strontiumatomen en het isoleren van qubits is ontwikkeld, zullen Kokkelmans en zijn collega's van QT/e en QuantumDeltaNL hun quantum-qubit-apparaat met qubits van hoge getrouwheid hebben, zij het zonder quantumfoutcorrectie. Zij kunnen dan de volgende stap zetten om dit apparaat te combineren met een klassieke computer om een hybride quantumcomputer te maken.

"Een hybride quantumcomputer maakt gebruik van het beste van beide werelden, omdat hij probeert de beste onderdelen van een quantumapparaat en een klassieke supercomputer te laten samenwerken", zegt Kokkelmans. In een hybride quantumcomputer zal het quantumapparaat fungeren als een quantum co-processor die samenwerkt met een klassiek apparaat, inclusief circuits voor controle en pre- en post-processing. Bovendien zijn de algoritmen die op een hybride quantumcomputer draaien robuuster wat betreft decoherentie, waardoor er minder behoefte is aan quantumfoutcorrectie.

Maar waarom zou je überhaupt een hybride quantumcomputer bouwen? Nou, het gaat allemaal om toepassing.

"Klassieke supercomputers worden uitgebreid gebruikt om chemische berekeningen uit te voeren. Ongeveer 20% van de wereldwijde supercomputertijd wordt besteed aan deze berekeningen. In veel gevallen zijn er quantumberekeningen nodig en dat is waar de quantumcomputer tevoorschijn komt", zegt Kokkelmans. "Een hybride quantumcomputer zou chemische berekeningen op een meer natuurlijke en snellere manier kunnen uitvoeren dan een klassieke supercomputer".

Plannen

De plannen voor de hybride quantumcomputer van Eindhoven liggen in ieder geval klaar. "We zijn bezig met het herontwerpen van onze opstelling met behulp van qubits op basis van strontiumatomen, en we streven ernaar om in 2024 volledig operationeel te zijn. Dan sluiten we ons apparaat aan op het Quantum Inspire network, wat betekent dat iedereen quantumcode op het hybride apparaat kan draaien", licht Kokkelmans toe.

De hybride quantumcomputer zal open source zijn en voor iedereen beschikbaar. Mensen kunnen zelf bepalen welk type berekening ze op Quantum Inspire willen uitvoeren en op welk quantumplatform. Onderzoekers kunnen er bijvoorbeeld voor kiezen om chemische of materiaalkundige berekeningen uit te voeren op de Eindhovense quantuminfrastructuur.

Hoewel sommigen verwachten dat quantumcomputers uiteindelijk de klassieke computers zullen opvolgen, lijkt het erop dat deze berekeningssystemen elkaar zullen aanvullen in toekomstige infrastructuren voor berekeningen, zoals hybride quantumcomputers.

Dankzij onderzoeksinitiatieven als QT/e en hun samenwerking met de andere nationale onderzoeksinstituten van QuantumDeltaNL lijken Servaas Kokkelmans en zijn medewerkers deel uit te maken van de ‘quantumcomputerrevolutie’.

Het ziet ernaar uit dat de uitdagingen en quantumvijanden die de hybride quantumcomputer in Eindhoven in de weg staan, overwonnen zullen worden.