Hybride kwantum-classiek algoritme: samenwerking tussen twee soorten computers
Een hybride kwantum-classiek algoritme is een rekenmethode waarbij een kwantumcomputer en een gewone computer voortdurend met elkaar samenwerken om een probleem op te lossen. De kwantumcomputer doet daarbij niet het hele werk, maar krijgt alleen het stukje van de taak dat hij goed kan, terwijl de gewone computer de rest voor zijn rekening neemt: taken plannen, resultaten controleren en bijsturen. Het is te vergelijken met een chef-kok die een gespecialiseerde proever inschakelt: de chef bereidt het gerecht, laat de proever telkens een klein hapje keuren, past de receptuur aan op basis van dat oordeel en herhaalt dit net zo lang tot het gerecht klopt.
Deze aanpak bestaat omdat de kwantumcomputers van dit moment nog klein, foutgevoelig en beperkt bruikbaar zijn. Ze kunnen daarom nog geen complete berekening zelfstandig uitvoeren zoals in populaire sciencefiction wordt gesuggereerd. Door de kwantumcomputer slechts een afgebakend deelprobleem te geven, en de rest over te laten aan bewezen classieke technologie, halen onderzoekers toch al nu bruikbare resultaten uit de eerste generatie kwantumhardware. Het is een pragmatische tussenoplossing op weg naar krachtigere kwantumcomputers.
Wat is het precies?
Om te snappen hoe een hybride algoritme werkt, helpt het om eerst kort stil te staan bij wat een kwantumcomputer anders maakt. Een gewone computer rekent met bits die 0 of 1 zijn. Een kwantumcomputer rekent met qubits, die dankzij een natuurkundig verschijnsel superpositie genoemd tegelijk iets van 0 én iets van 1 kunnen zijn. Dat maakt het mogelijk om bepaalde patronen en waarschijnlijkheden efficiënter te verkennen dan met klassieke bits, vooral bij problemen met heel veel mogelijke combinaties.
Een hybride algoritme verloopt in een lus, een herhalende stap-voor-stap cyclus, tussen de twee systemen. Eerst stelt de classieke computer een voorlopige instelling voor de kwantumcomputer op, met een aantal parameters, instelbare waarden die het gedrag van de berekening bepalen. De kwantumcomputer voert daarmee een korte berekening uit en meet het resultaat. Die meting stuurt hij terug naar de classieke computer, die vervolgens beoordeelt hoe goed dat resultaat was en de parameters een stukje aanpast, ongeveer zoals je een knop bijstelt totdat een radio helder afstemt. Deze cyclus van rekenen, meten en bijstellen herhaalt zich vaak honderden tot duizenden keren, totdat de uitkomst niet meer noemenswaardig verbetert.
Twee bekende voorbeelden van dit soort algoritmen zijn VQE en QAOA. VQE staat voor Variational Quantum Eigensolver en wordt vooral gebruikt om de laagste energietoestand van een molecuul te berekenen, wat belangrijk is in scheikunde en materiaalonderzoek. QAOA staat voor Quantum Approximate Optimization Algorithm en is bedoeld voor optimalisatieproblemen, situaties waarin je uit heel veel mogelijke combinaties de beste of een bijna beste moet kiezen, zoals de kortste route langs een reeks bestemmingen. Beide methoden werden in 2014 voor het eerst wetenschappelijk beschreven, VQE door een onderzoeksteam rond Alberto Peruzzo en QAOA door Edward Farhi en collega's van het Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is om problemen op te lossen die voor gewone computers praktisch onhaalbaar zijn, omdat het aantal mogelijke combinaties daarin exponentieel groeit. Denk aan het precies simuleren van hoe atomen in een molecuul zich gedragen, iets wat relevant is voor het ontwikkelen van medicijnen, batterijen of kunstmest. Ook optimalisatievraagstukken in de logistiek, financiële sector en energienetwerken vallen in deze categorie.
Hybride algoritmen zijn vooral bedacht om al iets van deze belofte waar te maken met de kwantumcomputers die nu al bestaan. Deze machines zitten in wat onderzoekers het NISQ-tijdperk noemen, een term die staat voor Noisy Intermediate-Scale Quantum: ruizige kwantumsystemen van beperkte omvang. Ruis betekent hier dat qubits gevoelig zijn voor storingen uit hun omgeving, waardoor fouten in de berekening sluipen. De term werd in 2018 geïntroduceerd door natuurkundige John Preskill. Doordat een hybride algoritme de kwantumcomputer maar kort en gericht inzet, blijft de kans op fouten beperkter dan bij een lange, volledig kwantummechanische berekening, en kan de classieke computer bovendien helpen om ruis te compenseren.
Voorbeelden uit de praktijk
Verschillende bedrijven en onderzoeksinstellingen experimenteren inmiddels met hybride algoritmen op echte hardware, al gaat het vooralsnog vrijwel altijd om onderzoek en proefprojecten, niet om dagelijkse productie-inzet.
- IBM en moleculaire simulatie: IBM Quantum laat sinds enkele jaren op zijn cloud-toegankelijke kwantumprocessors VQE-berekeningen uitvoeren voor kleine moleculen, zoals waterstof- en lithiumverbindingen, als testcase voor toekomstige scheikundige toepassingen.
- Volkswagen en verkeersoptimalisatie: de autofabrikant onderzocht met de kwantumannealer van het Canadese bedrijf D-Wave hoe bus- en verkeersroutes efficiënter ingepland konden worden, met pilots in onder meer Beijing en Lissabon. Een kwantumannealer is een gespecialiseerd type kwantumhardware dat vooral geschikt is voor optimalisatieproblemen.
- JPMorgan Chase en IBM: deze financiële instelling werkte samen met IBM aan onderzoek naar kwantumalgoritmen, waaronder varianten van VQE en QAOA, voor toepassingen als optieprijsbepaling en portefeuille-optimalisatie in de financiële sector.
- Boehringer Ingelheim en Google Quantum AI: het Duitse farmaceutische bedrijf ging in 2021 een samenwerking aan met Google om te onderzoeken hoe kwantumcomputers moleculaire simulaties voor medicijnontwikkeling kunnen versnellen.
- D-Wave's Leap Hybrid Solver: dit is een commerciële dienst die automatisch een optimalisatieprobleem opsplitst tussen classieke rekenkracht en een kwantumannealer, gebruikt door diverse bedrijven voor planning- en roosterproblemen.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkeling gaat gestaag maar is nog volop gaande. Het aantal qubits in kwantumprocessors groeit snel: IBM presenteerde in 2021 een chip met 127 qubits (Eagle), in 2022 een met 433 qubits (Osprey) en in 2023 een met meer dan duizend qubits (Condor). Meer qubits alleen is echter niet voldoende, want de kwaliteit en betrouwbaarheid van elke individuele qubit blijft minstens zo belangrijk. Fouten door ruis stapelen zich namelijk op naarmate een berekening langer duurt of meer qubits gebruikt.
Tot nu toe is er geen overtuigend, onafhankelijk bevestigd voorbeeld waarbij een hybride kwantum-classiek algoritme op een praktisch relevant probleem sneller of beter presteert dan de beste classieke methode; dat wordt wel 'kwantumvoordeel' genoemd. Google claimde in 2019 met zijn Sycamore-processor een verwante mijlpaal, 'kwantumsuprematie', voor een sterk gespecialiseerde en praktisch weinig nuttige testberekening, niet voor een hybride algoritme met reële toepassing. Veel experts beschouwen praktisch kwantumvoordeel voor hybride algoritmen nog als iets voor de komende jaren tot een decennium, met foutcorrectie, het corrigeren van rekenfouten tijdens de berekening zelf, als een van de grootste technische hindernissen die nog opgelost moet worden.
Wie werken eraan?
Op hardwaregebied lopen IBM, Google (via Google Quantum AI) en het Amerikaanse IonQ voorop met op supergeleiding of ionenvallen gebaseerde kwantumprocessors. D-Wave is toonaangevend in kwantumannealing, een aanpak die zich specifiek leent voor optimalisatieproblemen. Microsoft en Amazon bieden via hun cloudplatforms Azure Quantum en Amazon Braket toegang tot hardware van meerdere fabrikanten, zodat onderzoekers zonder eigen kwantumcomputer toch kunnen experimenteren. Het Brits-Amerikaanse Quantinuum, ontstaan in 2021 uit een fusie van Cambridge Quantum Computing en Honeywell Quantum Solutions, ontwikkelt zowel hardware als software voor hybride toepassingen.
Op onderzoeksgebied speelt het Nederlandse QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en onderzoeksinstituut TNO, een vooraanstaande rol binnen het nationale programma Quantum Delta NL. Ook MIT en Caltech in de Verenigde Staten leverden met hun onderzoekers belangrijke theoretische bijdragen aan VQE en QAOA. Op beleidsniveau investeren overheden fors: de Europese Unie financiert onderzoek via het Quantum Flagship-programma, en de Verenigde Staten deden dat via de National Quantum Initiative Act die eind 2018 werd ondertekend. Ook China en het Verenigd Koninkrijk hebben omvangrijke nationale kwantumprogramma's.