Gate-model kwantumcomputer: hoe werkt het en hoe ver staat het?
Een gate-model kwantumcomputer is een type kwantumcomputer dat rekent met kwantumpoorten, vergelijkbaar met hoe een gewone computer rekent met logische poorten zoals AND, OR en NOT. Bij een klassieke computer stuur je bits (enen en nullen) door een reeks schakelingen die de waarden combineren en aanpassen, en aan het einde lees je het resultaat af. Bij een gate-model kwantumcomputer gebeurt iets vergelijkbaars, maar dan met qubits: kwantumbits die dankzij de kwantummechanica tegelijk iets tussen 0 en 1 in kunnen zijn. Deze aanpak heet ook wel het 'circuit-model', omdat een berekening letterlijk wordt getekend als een circuit van opeenvolgende poorten.
Stel je een muziekpartituur voor: elke notenbalk is een qubit, en elke aanwijzing (een poort) verandert hoe die qubits samenklinken, tot je aan het eind luistert (meet) wat eruit komt. Dit gate-model is niet de enige manier om een kwantumcomputer te bouwen; er bestaat bijvoorbeeld ook kwantum-annealing, een andere aanpak die vooral gebruikt wordt door het Canadese bedrijf D-Wave en die specifiek is toegesneden op optimalisatieproblemen. Het gate-model geldt echter als de meest algemeen inzetbare aanpak, omdat je er in principe elke berekening mee kunt programmeren.
Wat is het precies?
De basis van elke kwantumcomputer is de qubit. Een gewone bit is altijd 0 of 1. Een qubit kan dankzij superpositie een mengvorm van 0 en 1 tegelijk aannemen, een beetje zoals een muntje dat nog ronddraait en nog niet op kop of munt is gevallen. Pas op het moment dat je meet, 'valt' de qubit op een van beide waarden.
Een tweede kwantumeigenschap is verstrengeling (entanglement): twee of meer qubits kunnen zo met elkaar verbonden raken dat de uitkomst van een meting aan de ene qubit meteen iets zegt over de andere, ook al staan ze fysiek los van elkaar. Verstrengeling is wat kwantumcomputers hun extra rekenkracht geeft, omdat je met een handvol verstrengelde qubits ineens heel veel combinaties van waarden tegelijk kunt bewerken.
Een kwantumcircuit bestaat uit drie onderdelen: je begint met een aantal qubits in een startwaarde, je stuurt ze door een reeks kwantumpoorten (bijvoorbeeld de Hadamard-poort, die een qubit in superpositie brengt, of de CNOT-poort, die twee qubits met elkaar verstrengelt), en aan het eind meet je de qubits om een antwoord af te lezen. Met een beperkte set van dit soort poorten kun je, net als met AND/OR/NOT bij klassieke chips, in theorie elke denkbare kwantumberekening bouwen. Dat maakt het gate-model universeel programmeerbaar.
Er bestaan verschillende manieren om qubits fysiek te maken. Supergeleidende qubits, gebruikt door onder meer IBM en Google, zijn piepkleine elektrische circuits die tot vlak bij het absolute nulpunt gekoeld moeten worden. Ionenval- of 'trapped-ion'-qubits, het domein van bedrijven als IonQ en Quantinuum, gebruiken elektrisch geladen atomen die met laserlicht en elektrische velden zwevend in de lucht worden vastgehouden. Fotonische qubits, waar bedrijven als PsiQuantum en Xanadu op inzetten, coderen informatie in lichtdeeltjes. Weer een andere route is die van neutrale atomen, gebruikt door bijvoorbeeld QuEra en Pasqal, waarbij atomen met laserpincetten (optical tweezers) op hun plek worden gehouden. Elk platform heeft eigen voor- en nadelen op het gebied van snelheid, stabiliteit en schaalbaarheid.
Het grootste probleem van alle qubits is decoherentie: qubits zijn extreem gevoelig voor verstoringen uit hun omgeving, zoals trillingen, warmte of elektromagnetische ruis, waardoor hun kwantumtoestand na verloop van tijd 'verwatert' en fouten ontstaan. Om hiermee om te gaan is kwantumfoutcorrectie nodig: je combineert veel onbetrouwbare, fysieke qubits tot één stabielere 'logische qubit' die minder gevoelig is voor fouten. Een veelgebruikte aanpak hiervoor heet de surface code. Het venijnige is dat je hiervoor honderden tot duizenden fysieke qubits per logische qubit nodig kunt hebben, wat de weg naar een echt bruikbare kwantumcomputer flink bemoeilijkt.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van gate-model kwantumcomputers is dat ze bepaalde soorten problemen fundamenteel sneller kunnen oplossen dan zelfs de krachtigste klassieke supercomputers, niet omdat ze 'sneller rekenen' in de gewone zin, maar omdat ze door superpositie en verstrengeling in één keer met enorm veel mogelijke uitkomsten tegelijk kunnen werken.
Een veelgenoemd toepassingsgebied is het simuleren van moleculen en materialen. Klassieke computers hebben grote moeite om het kwantumgedrag van elektronen in complexe moleculen precies na te bootsen, terwijl een kwantumcomputer dat in principe van nature kan, omdat hij zelf ook kwantummechanisch is. Dit zou kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe medicijnen, betere batterijen of efficiëntere katalysatoren voor de chemische industrie.
Een tweede terrein is optimalisatie: het vinden van de beste route, planning of indeling uit een enorm aantal mogelijkheden, relevant voor bijvoorbeeld logistiek of financiële modellen. Ook cryptografie speelt een rol: het beroemde algoritme van Peter Shor laat zien dat een voldoende krachtige kwantumcomputer grote getallen razendsnel kan ontbinden in priemfactoren, iets waar de huidige RSA-encryptie juist op leunt. Dat is precies de reden waarom er wereldwijd hard gewerkt wordt aan 'post-kwantumcryptografie': nieuwe versleutelingsmethoden die ook tegen toekomstige kwantumcomputers bestand zijn. Daarnaast belooft het zoekalgoritme van Lov Grover een (bescheidener) versnelling bij het doorzoeken van ongesorteerde gegevensverzamelingen.
Belangrijk om eerlijk te zijn: een overtuigend aangetoond 'kwantumvoordeel' op een probleem met echte praktische waarde, waarbij een kwantumcomputer een klassieke computer op een nuttige taak verslaat, is er tot nu toe nog niet. De huidige demonstraties tonen vooral aan dat kwantumhardware iets kan doen wat lastig na te bootsen is met klassieke computers, niet dat het ook ergens nuttig voor is. Voor de meeste praktische toepassingen blijft dit voorlopig toekomstmuziek.
Voorbeelden uit de praktijk
In 2019 claimde Google met zijn 53-qubit chip Sycamore 'kwantumsupremie': de chip zou in enkele minuten een specifieke, kunstmatig gekozen rekentaak (het simuleren van een willekeurig kwantumcircuit) hebben uitgevoerd waar een klassieke supercomputer naar schatting duizenden jaren voor nodig zou hebben. Deze claim werd destijds en later bekritiseerd; onderzoekers, waaronder teams van IBM, lieten zien dat slimmere klassieke algoritmes en meer rekenkracht de kloof aanzienlijk kleiner konden maken dan aanvankelijk gedacht. De episode illustreert hoe voorzichtig je met dit soort superlatieven moet omgaan.
IBM bouwde de afgelopen jaren gestaag grotere chips volgens een openbare roadmap: de Eagle-chip (127 qubits, 2021), gevolgd door Osprey (433 qubits, 2022) en Condor (ruim duizend qubits, 2023). Meer qubits alleen lost het foutcorrectie-probleem echter niet op, en IBM richt zich inmiddels vooral op het verbeteren van qubitkwaliteit en op architecturen die logische, foutgecorrigeerde qubits mogelijk maken.
Google presenteerde in december 2024 zijn Willow-chip, waarmee het bedrijf liet zien dat het opschalen van foutcorrectiecodes de foutkans daadwerkelijk kan verlagen in plaats van verhogen, een belangrijke mijlpaal die lange tijd twijfelachtig was. Dit betekent niet dat het foutcorrectieprobleem is opgelost, maar wel dat de aanpak in de goede richting werkt.
Op het gebied van ionenval-technologie zijn IonQ (beursgenoteerd in de Verenigde Staten) en Quantinuum (ontstaan uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum) twee toonaangevende bedrijven die vaak hoog scoren op kwaliteitsmaten zoals foutpercentages per poort, ook al hebben hun systemen doorgaans minder qubits dan de supergeleidende chips van IBM en Google.
Nederland heeft met QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en onderzoeksinstituut TNO, een eigen serieuze speler in dit veld. QuTech werkt onder meer aan supergeleidende qubits en aan spin-qubits (qubits gebaseerd op de spin van elektronen in silicium), en investeert daarnaast in een 'kwantuminternet': een netwerk dat verstrengeling tussen verre locaties zou moeten kunnen verspreiden voor extra veilige communicatie.
Hoe ver is de techniek?
Natuurkundige John Preskill introduceerde in 2018 de term NISQ, wat staat voor Noisy Intermediate-Scale Quantum: kwantumcomputers met tientallen tot enkele duizenden qubits, die nog te veel fouten ('noisy') maken om zonder foutcorrectie betrouwbaar grote, praktisch nuttige berekeningen uit te voeren. Vrijwel alle bestaande kwantumcomputers vallen nog altijd in deze NISQ-categorie.
De huidige generatie machines heeft honderden tot iets meer dan duizend fysieke qubits, maar zoals eerder uitgelegd zijn dat nog geen betrouwbare, foutgecorrigeerde logische qubits. De sector werkt daarom hard aan het overbruggen van die kloof: eerst door te laten zien dat foutcorrectie daadwerkelijk werkt (zoals met Willow), en vervolgens door dat op te schalen naar systemen met genoeg logische qubits om nuttige problemen aan te pakken. Uiteenlopende bedrijven noemen doelen ergens tussen het einde van dit decennium en het midden van de jaren 2030 voor een echt fouttolerante kwantumcomputer, maar dit soort tijdspaden zijn in het verleden vaker naar achteren geschoven en moeten met de nodige voorzichtigheid worden gelezen.
De belangrijkste obstakels blijven: decoherentie (qubits die te snel hun kwantumtoestand verliezen), de enorme overhead die foutcorrectie vergt (mogelijk honderden fysieke qubits per logische qubit), de technische uitdaging om duizenden qubits tegelijk aan te sturen en uit te lezen zonder dat de bekabeling en besturingselektronica onhandelbaar wordt, en bij supergeleidende chips ook de noodzaak van extreem lage temperaturen, dicht bij het absolute nulpunt.
Wie werken eraan?
Grote technologiebedrijven met eigen kwantumprogramma's zijn onder meer IBM, Google, Microsoft en Intel. Daarnaast is een hele laag gespecialiseerde kwantumbedrijven ontstaan: IonQ en Quantinuum (ionenval), Rigetti (supergeleidend), PsiQuantum en Xanadu (fotonisch), en QuEra en Pasqal (neutrale atomen). Microsoft zet daarnaast in op een fundamenteel andere, nog experimentele route via zogeheten topologische qubits, gebaseerd op exotische kwantumtoestanden (Majorana-achtige toestanden); dit onderzoeksspoor kende in het verleden (rond 2018-2021) al eerder ingetrokken claims, en onafhankelijke bevestiging van recentere resultaten is nog in volle gang, dus dit blijft voorlopig het meest onzekere spoor.
Op onderzoeksgebied is QuTech in Delft, de samenwerking tussen TU Delft en TNO, een van de belangrijkste Europese centra en maakt deel uit van bredere Europese initiatieven zoals het EU Quantum Flagship-programma, dat kwantumonderzoek in meerdere Europese landen bundelt en financiert. Ook in de Verenigde Staten en Azië lopen vergelijkbare nationale programma's om kwantumtechnologie te stimuleren. Nederland, en Delft in het bijzonder, geldt daarmee als een van de Europese zwaartepunten op dit gebied, met een sterke focus op zowel hardware-ontwikkeling als het kwantuminternet.