Full-stack kwantumcomputer: de hele machine, van chip tot cloud
Een full-stack kwantumcomputer is een kwantumcomputer waarbij één partij niet alleen de kwantumchip bouwt, maar ook alle lagen eromheen: de koeling, de besturingselektronica, de software die alles aanstuurt en het programma waarmee een gebruiker er uiteindelijk mee kan rekenen. "Full-stack" (Engels voor "volledige stapel") verwijst naar die stapel van lagen, van de fysieke qubit — het kwantumequivalent van een bit, de kleinste rekeneenheid — helemaal tot aan het scherm van de onderzoeker die een berekening start.
Vergelijk het met het verschil tussen een garage die losse automotoren verkoopt en een fabriek die complete auto's aflevert, met chassis, elektronica en dashboard inbegrepen. Bij een kwantumcomputer die niet full-stack is, koopt een onderzoeksinstituut misschien een kwantumchip bij de ene leverancier, de besturingselektronica bij een andere, en moet het zelf software schrijven om alles te laten samenwerken. Een full-stack aanbieder levert dat allemaal als één werkend geheel, klaar voor gebruik.
Wat is het precies?
Een kwantumcomputer bestaat uit meerdere lagen die nauw op elkaar moeten aansluiten. Onderaan zit de qubit, de kwantumversie van de bit uit gewone computers. Qubits kunnen worden gemaakt op verschillende manieren: als piepkleine supergeleidende circuits, als individuele atomen die met laserlicht worden vastgehouden ("trapped ions" of ionvallen), of als deeltjes licht (fotonen). Elke aanpak heeft eigen voor- en nadelen op het gebied van stabiliteit en schaalbaarheid.
Daarboven zit de cryogene infrastructuur: bij supergeleidende qubits is dat een koelkast die de chip afkoelt tot enkele hondersten van een graad boven het absolute nulpunt (ongeveer -273 graden Celsius), omdat qubits al bij de kleinste warmtetrilling hun kwantumtoestand verliezen. Dat verlies heet decoherentie.
Vervolgens is er de besturingselektronica: apparatuur die met microgolfpulsen of laserlicht de qubits exact aanstuurt en uitleest. Dit moet met extreme precisie en snelheid gebeuren, vaak duizenden keren per seconde.
Daarboven zit firmware en kalibratiesoftware die voortdurend corrigeert voor kleine afwijkingen — qubits raken snel "uit tune" door temperatuurschommelingen of elektromagnetische ruis. Helemaal bovenaan zit de softwarelaag: een compiler die een programma vertaalt naar concrete pulsinstructies, en een interface (vaak via de cloud) waarmee een programmeur op afstand een berekening kan indienen.
Bij een full-stack kwantumcomputer ontwerpt en bouwt één organisatie al deze lagen in onderlinge samenhang, in plaats van losse onderdelen van verschillende leveranciers aan elkaar te knopen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is bruikbaarheid. Een onderzoeker of bedrijf dat een kwantumcomputer wil gebruiken, wil niet eerst een team van elektrotechnici en cryogenica-experts hoeven aan te nemen. Een kant-en-klaar, goed geïntegreerd systeem verlaagt de drempel om ermee te experimenteren.
Een tweede doel is prestatie. Naarmate hardware en software strakker op elkaar zijn afgestemd, kunnen fouten sneller worden gedetecteerd en gecorrigeerd, en kan een systeem sneller worden gekalibreerd. Dit wordt steeds belangrijker naarmate kwantumcomputers groter worden: bij grootschalige kwantumfoutcorrectie — een techniek waarbij meerdere fysieke qubits samen één betrouwbare "logische qubit" vormen — moeten hardware en besturingssoftware in real time met elkaar communiceren. Losse, slecht op elkaar afgestemde onderdelen maken dat lastiger.
Een derde, meer commerciële reden is controle en soevereiniteit. Sommige overheden en universiteiten willen een kwantumcomputer fysiek op eigen terrein hebben staan, in plaats van afhankelijk te zijn van een buitenlandse cloudprovider. Full-stack aanbieders verkopen daarom ook complete, op locatie te installeren systemen ("on-premise").
Voorbeelden uit de praktijk
IQM, een Fins bedrijf opgericht in 2018 als spin-off van de Aalto-universiteit, presenteert zich expliciet als bouwer van full-stack supergeleidende kwantumcomputers. Het Finse onderzoeksinstituut VTT nam een IQM-systeem met vijf qubits in gebruik en breidde dit later uit naar twintig qubits.
IBM bouwt zijn eigen chips (onder meer de 127-qubit Eagle-chip uit 2021 en de 1121-qubit Condor-chip, gepresenteerd eind 2023), de bijbehorende besturingselektronica, de open-source softwarebibliotheek Qiskit, en biedt toegang via het cloudplatform IBM Quantum.
Google Quantum AI bouwde de 53-qubit Sycamore-chip waarmee het bedrijf in 2019 claimde een berekening te hebben uitgevoerd die voor een klassieke supercomputer onhaalbaar zou zijn (een omstreden claim, later genuanceerd). Eind 2024 volgde de Willow-chip, waarmee Google in een publicatie in het vakblad Nature liet zien dat foutpercentages daadwerkelijk afnemen naarmate er meer fysieke qubits per logische qubit worden gebruikt — een mijlpaal die decennialang werd nagestreefd.
Quantinuum, ontstaan in 2021 uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum, bouwt een volledige stack rond ionval-qubits (de H-serie systemen), inclusief eigen software voor programmeren en foutmitigatie.
PsiQuantum kiest voor een fotonische aanpak (qubits gemaakt van lichtdeeltjes) en kondigde in 2024, met steun van de Australische overheid, de bouw aan van een grootschalig systeem in Brisbane; een vergelijkbaar project loopt in de Amerikaanse staat Illinois.
Hoe ver is de techniek?
De huidige generatie kwantumcomputers telt enkele tientallen tot ruim duizend fysieke qubits, maar die qubits zijn nog "ruis-gevoelig": fouten treden op bij een groot deel van de bewerkingen, veel vaker dan bij klassieke computerchips. Lange tijd lag de nadruk in de sector op het opschalen van het aantal qubits. Recenter is de aandacht verschoven naar kwaliteit boven kwantiteit: IBM's Heron-processor uit 2023 heeft minder qubits dan zijn voorganger, maar wel betere onderlinge verbindingen en minder fouten. Google's resultaat met de Willow-chip (eind 2024) wordt breed gezien als bewijs dat foutcorrectie op grotere schaal daadwerkelijk kan werken, al is dit nog geen volwaardige, commercieel bruikbare foutgecorrigeerde kwantumcomputer.
De full-stack aanpak wordt binnen de sector steeds meer gezien als noodzakelijk voor de volgende stap: grootschalige, betrouwbare foutcorrectie vereist dat hardware en software vrijwel in real time samenwerken, iets wat lastig te bereiken is met losse, extern samengevoegde onderdelen.
Toch blijft er onzekerheid. Schattingen voor wanneer een echt "fouttolerante", commercieel bruikbare kwantumcomputer beschikbaar komt, lopen sterk uiteen: sommige bedrijven noemen doelen rond 2029-2033, terwijl veel onafhankelijke onderzoekers voorzichtiger zijn en wijzen op onopgeloste technische hindernissen, zoals het op grote schaal fabriceren van foutloze onderdelen en het beheersbaar houden van de bekabeling en koeling bij honderdduizenden of miljoenen qubits. Niemand kan op dit moment met zekerheid zeggen hoe lang dit nog gaat duren.
Wie werken eraan?
Naast de eerder genoemde bedrijven — IBM, Google Quantum AI, IQM, Quantinuum en PsiQuantum — bouwen ook Rigetti Computing (met een eigen chipfabriek, Fab-1, in Fremont, Californië) en Pasqal (Frankrijk, gebaseerd op neutrale atomen) aan full-stack systemen. In China ontwikkelt Origin Quantum supergeleidende kwantumcomputers met cloudtoegang.
Op onderzoeksniveau speelt in Nederland QuTech een centrale rol, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO die zich richt op zowel hardware als de bredere kwantumstack. Het Nederlandse kwantumecosysteem wordt gecoördineerd via het nationale programma Quantum Delta NL, met activiteiten in onder meer Delft, Eindhoven en Amsterdam.
Ook overheden investeren fors: de Europese Unie financiert onderzoek via het Quantum Flagship-programma, de Verenigde Staten hebben sinds de National Quantum Initiative Act (2018) een nationaal kwantumbeleid, en China investeert eveneens grootschalig in eigen kwantuminfrastructuur. Deze publieke investeringen zijn vaak een belangrijke financieringsbron voor de dure, kapitaalintensieve ontwikkeling van full-stack systemen.