Kwantumannealing: rekenen met de wetten van de kwantummechanica om lastige puzzels op te lossen
Stel je voor dat je een knikker in een landschap vol heuvels en dalen laat rollen, op zoek naar het allerlaagste punt. Bij een gewoon landschap kan de knikker blijven steken in een klein dal terwijl er verderop een veel dieper dal ligt. Kwantumannealing is een rekentechniek die precies dit probleem probeert op te lossen, maar dan met behulp van kwantummechanica: de natuurkunde van piepkleine deeltjes zoals atomen en elektronen, die zich anders gedragen dan de dingen die we dagelijks zien.
In plaats van een knikker gebruikt kwantumannealing speciale chips met qubits: de kwantumversie van de bits (nullen en enen) in een gewone computer. Dankzij een kwantumeigenschap die tunneling heet, kan het systeem als het ware dwars door een heuvel heen "tunnelen" in plaats van eroverheen te moeten klimmen. Daardoor is er in theorie meer kans om het diepste dal te vinden: de beste oplossing voor een optimalisatieprobleem, zoals de kortste route voor een vrachtwagen of de meest efficiënte indeling van een fabrieksrooster.
Wat is het precies?
Kwantumannealing is een gespecialiseerde vorm van kwantumrekenen, gericht op één specifiek type taak: optimalisatieproblemen. Dat zijn vraagstukken waarbij je uit heel veel mogelijke oplossingen de beste (of een heel goede) moet kiezen, zoals het plannen van vluchten of het minimaliseren van energieverbruik in een netwerk.
De term "annealing" komt van het Engelse woord voor uitgloeien, een techniek uit de metaalbewerking waarbij metaal wordt verhit en langzaam afgekoeld zodat atomen zich in de meest stabiele, laagenergetische structuur schikken. Kwantumannealing bootst dit proces na, maar dan wiskundig: het probleem wordt vertaald naar een soort energielandschap, waarbij de laagste energie overeenkomt met de beste oplossing.
Een kwantumannealer bestaat uit een netwerk van qubits die met elkaar verbonden zijn via instelbare magnetische koppelingen. Aan het begin van een berekening bevinden alle qubits zich in een soort neutrale, "zwevende" kwantumtoestand. Vervolgens wordt het systeem geleidelijk aangepast totdat de qubits een configuratie aannemen die het probleem representeert. Dankzij tunneling kan het systeem tussentijds barrières in het energielandschap doorkruisen in plaats van erover te moeten, wat in bepaalde gevallen sneller tot een goede oplossing kan leiden dan klassieke methoden.
Belangrijk om te weten: kwantumannealing is niet hetzelfde als de "universele" kwantumcomputers waar bedrijven als IBM en Google aan werken. Die machines gebruiken kwantumpoorten (gate-based) en kunnen in theorie elk berekenbaar probleem aan. Kwantumannealers zijn specialistischer en alleen geschikt voor optimalisatie- en bepaalde simulatietaken, maar zijn technisch eenvoudiger te bouwen met veel meer qubits.
Wat wil men ermee bereiken?
Veel praktische problemen in logistiek, financiën, chemie en materiaalkunde zijn zogeheten combinatorische optimalisatieproblemen: het aantal mogelijke combinaties groeit zo snel dat zelfs de snelste gewone computers ze niet in redelijke tijd volledig kunnen doorrekenen. Denk aan het optimaal indelen van personeelsroosters, het plannen van bezorgroutes, of het vinden van de meest stabiele moleculaire structuur voor een nieuw medicijn.
Het doel van kwantumannealing is om dit soort problemen sneller of met betere resultaten op te lossen dan klassieke computers, door gebruik te maken van kwantumeffecten. Onderzoekers spreken van "kwantumvoordeel" wanneer een kwantumannealer aantoonbaar beter presteert dan de beste klassieke algoritmes voor eenzelfde taak.
Daarnaast is er een wetenschappelijk doel: beter begrijpen hoe kwantumsystemen zich gedragen bij optimalisatie, en welke problemen zich hier wel of juist niet goed voor lenen. Dit voedt ook de bredere ontwikkeling van kwantumtechnologie.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Canadese bedrijf D-Wave Systems bouwde in 2011 de D-Wave One, de eerste commercieel verkrijgbare kwantumannealer, met 128 qubits. Dat was een mijlpaal, al bestond er destijds nog veel discussie over hoeveel "echt kwantum" er in de resultaten zat.
Defensiebedrijf Lockheed Martin was een van de eerste klanten en gebruikte een D-Wave-systeem vanaf 2011 om softwarecode te verifiëren, een taak die zich laat vertalen naar een optimalisatieprobleem.
Autofabrikant Volkswagen testte in 2017 in Lissabon een systeem dat met behulp van een D-Wave-annealer de routes van negen bussen probeerde te optimaliseren om filevorming te verminderen, als praktijkproef voor verkeersmanagement.
NASA en Google richtten samen met de Universities Space Research Association het Quantum Artificial Intelligence Lab op, waar vanaf 2013 met D-Wave-hardware is geëxperimenteerd voor taken als planningsproblemen voor ruimtemissies.
Het Japanse bedrijf Recruit Communications gebruikte een D-Wave-systeem om advertentie- en aanbevelingsalgoritmes te optimaliseren, een van de vroege commerciële toepassingen buiten de wetenschap.
Hoe ver is de techniek?
D-Wave blijft de belangrijkste aanbieder van kwantumannealinghardware. Het bedrijf bracht in 2020 zijn Advantage-systeem uit, met meer dan 5000 qubits en verbeterde connectiviteit tussen qubits, en werkt sindsdien aan opvolgers met nog meer verbindingen per qubit.
Toch blijft er stevige discussie in de wetenschappelijke gemeenschap over hoe groot het praktische voordeel van kwantumannealing werkelijk is. Voor veel praktijkproblemen presteren slimme klassieke algoritmes, of hybride aanpakken die kwantum- en klassieke rekenkracht combineren, nog altijd even goed of beter. Aangetoond, onomstreden "kwantumvoordeel" voor commercieel relevante problemen is tot op heden niet breed gerealiseerd.
Een technische uitdaging is verder dat qubits gevoelig zijn voor ruis en verstoringen uit hun omgeving, wat fouten kan veroorzaken. Ook is het niet triviaal om een praktisch probleem correct te "vertalen" naar de vorm die een annealer nodig heeft; deze vertaalstap kost soms meer rekenkracht dan hij oplevert.
Er wordt daarnaast gewerkt aan simulatie van kwantumannealing op gewone computers, en aan alternatieve technieken zoals Fujitsu's "Digital Annealer", die het annealing-principe nabootst zonder daadwerkelijke qubits te gebruiken. Dit soort hybride en klassieke concurrenten maken de vergelijking met echte kwantumannealers extra complex.
Wie werken eraan?
D-Wave Systems (Canada) is wereldwijd de meest zichtbare speler en de enige aanbieder van kant-en-klare kwantumannealers voor commercieel gebruik.
NASA, via het Quantum Artificial Intelligence Lab, en verschillende academische partners onderzoeken toepassingen voor lucht- en ruimtevaart en fundamenteel onderzoek naar kwantumannealing.
Universiteiten en onderzoeksinstituten zoals QuTech (een samenwerking van de TU Delft en TNO in Nederland), ETH Zürich in Zwitserland en verscheidene Japanse en Noord-Amerikaanse universiteiten bestuderen zowel de hardware als de algoritmes die er gebruik van maken.
Ook grote technologiebedrijven zoals Google en industriële partijen als Volkswagen en Denso hebben onderzoeksprojecten of pilots met kwantumannealing uitgevoerd, meestal in samenwerking met D-Wave.