Kwantumprocessor: rekenen met de vreemde regels van de kwantummechanica
Een kwantumprocessor is een rekenchip die niet werkt met de gewone nullen en enen van een computer, maar met zogeheten qubits: kwantumbits die dankzij de eigenaardige natuurkunde van heel kleine deeltjes tegelijkertijd iets tussen 0 en 1 in kunnen zijn. Waar een klassieke chip in een gewone laptop of telefoon miljarden simpele schakelaars gebruikt die netjes aan of uit staan, buigt een kwantumprocessor de wetten van de kwantummechanica om bepaalde typen berekeningen in theorie razendsnel te maken.
Een handige analogie: stel je een doolhof voor. Een klassieke computer probeert paden één voor één af, als een muis die elke gang apart verkent. Een kwantumprocessor kan, heel kort gezegd, meerdere paden als het ware gelijktijdig verkennen doordat qubits in een toestand van superpositie verkeren. Dat klinkt magisch, maar het is geen toverkunst: het is precies gecontroleerde, en tegelijk extreem breekbare, natuurkunde. Die breekbaarheid is meteen de reden waarom kwantumprocessoren nog altijd vooral in laboratoria en gekoelde serverruimtes staan, en niet in je broekzak.
Wat is het precies?
De basis van elke kwantumprocessor is de qubit. Een gewone bit is als een lichtschakelaar: aan of uit. Een qubit gedraagt zich meer als een tol die ronddraait – pas op het moment dat je hem meet, ‘kiest’ hij een uitkomst (0 of 1). Zolang je niet meet, bevindt de qubit zich in superpositie, een combinatie van beide mogelijkheden tegelijk.
Qubits kunnen op verschillende manieren fysiek gemaakt worden. Bedrijven als IBM en Google gebruiken supergeleidende circuits: piepkleine elektrische schakelingen die tot vlak bij het absolute nulpunt (-273 graden Celsius) worden gekoeld. Andere aanpakken gebruiken losse atomen die met lasers worden vastgehouden (ionenvallen, gebruikt door IonQ en Quantinuum), deeltjes licht (fotonica, de aanpak van PsiQuantum), of elektronen in silicium (de aanpak van Intel). Geen van deze technieken heeft zich al bewezen als dé winnende aanpak.
Een tweede kwantumeigenschap die processors benutten is verstrengeling: twee of meer qubits kunnen zo met elkaar verbonden raken dat de toestand van de één direct de toestand van de ander beïnvloedt, ongeacht de afstand. Door superpositie en verstrengeling slim te combineren in reeksen bewerkingen (‘kwantumpoorten’, vergelijkbaar met de logische poorten in klassieke chips) kun je specifieke wiskundige problemen aanpakken op een manier die voor klassieke computers onhaalbaar is.
Het grote probleem is decoherentie: qubits zijn extreem gevoelig voor trillingen, warmte en elektromagnetische storing. Al bij de geringste verstoring verliezen ze hun kwantumtoestand en ontstaat er ruis in de berekening. Daarom draaien kwantumprocessors in extreem gekoelde, trillingsvrije en afgeschermde omgevingen, en blijven berekeningen foutgevoelig. Om dit op te lossen combineren onderzoekers meerdere onbetrouwbare ‘fysieke’ qubits tot één stabielere ‘logische’ qubit via foutcorrectie – vergelijkbaar met het meerdere keren kopiëren van een boodschap zodat je fouten kunt herkennen en herstellen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is een computer die bepaalde problemen kan oplossen die voor klassieke supercomputers praktisch onmogelijk zijn, omdat de rekentijd daar exponentieel oploopt met de grootte van het probleem. Voorbeelden zijn het simuleren van moleculen en chemische reacties (relevant voor nieuwe medicijnen, batterijen of katalysatoren), het optimaliseren van complexe logistieke of financiële systemen, en bepaalde vormen van machine learning.
Een ander veelbesproken doel – en zorg – is cryptografie. Een voldoende krachtige, foutgetolereerde kwantumcomputer zou in theorie bepaalde veelgebruikte versleutelingsmethoden (zoals RSA) kunnen kraken via het beroemde algoritme van Shor. Dit is precies waarom overheden en bedrijven nu al werken aan ‘post-kwantumcryptografie’: nieuwe versleuteling die ook tegen toekomstige kwantumcomputers bestand is, lang voordat zo’n machine daadwerkelijk bestaat.
Belangrijk om te beseffen: een kwantumprocessor vervangt de gewone computer niet. Voor e-mail lezen, video's kijken of de meeste dagelijkse software blijft een klassieke chip veruit efficiënter. Kwantumprocessors zijn gespecialiseerd gereedschap voor een beperkte, maar potentieel zeer waardevolle, klasse van problemen.
Voorbeelden uit de praktijk
In 2019 claimde Google met zijn Sycamore-chip (53 qubits) als eerste ‘kwantumsuprematie’: een specifieke, verder nutteloze testberekening die de chip sneller zou uitvoeren dan de krachtigste klassieke supercomputer. Deze claim werd destijds ook betwist door onder meer IBM, dat betoogde dat een slimmer geprogrammeerde klassieke computer de klus alsnog binnen dagen kon klaren in plaats van duizenden jaren.
IBM bouwde vervolgens een reeks steeds grotere chips: Eagle (127 qubits, 2021), Osprey (433 qubits, 2022) en Condor (meer dan 1000 qubits, 2023). Vanaf 2024 verschoof IBM's nadruk van simpelweg meer qubits toevoegen naar betrouwbaardere qubits en modulaire systemen, met chips uit de Heron-familie.
In december 2024 presenteerde Google zijn Willow-chip, die gold als een belangrijke mijlpaal in foutcorrectie: voor het eerst werd overtuigend aangetoond dat een logische qubit betrouwbaarder wordt naarmate je er meer fysieke qubits aan toevoegt, in plaats van juist foutgevoeliger. Dat is een cruciale voorwaarde om ooit tot bruikbare, grootschalige kwantumcomputers te komen.
In China bouwden onderzoeksteams de fotonische chip Jiuzhang (vanaf 2020) en de supergeleidende chip Zuchongzhi (vanaf 2021), beide met eigen suprematie-achtige claims op specifieke testtaken. In Nederland werkt QuTech in Delft, een samenwerking tussen TU Delft en onderzoeksinstituut TNO, onder meer aan foutcorrectie en aan een mogelijk toekomstig ‘kwantuminternet’ waarmee kwantumsystemen op afstand met elkaar kunnen worden verbonden.
Hoe ver is de techniek?
De sector bevindt zich in wat vaak de NISQ-fase wordt genoemd (Noisy Intermediate-Scale Quantum): chips met honderden tot ruim duizend fysieke qubits, die nog te veel fouten maken voor de meeste praktisch waardevolle berekeningen. Er is nog geen kwantumcomputer die overtuigend en op grote schaal sneller is dan klassieke computers voor een economisch nuttig probleem – dat wordt wel ‘kwantumvoordeel’ genoemd, in tegenstelling tot de smallere, vaak kunstmatige testtaken van eerdere suprematie-claims.
Het tempo van vooruitgang is de afgelopen jaren wel duidelijk zichtbaar: het aantal qubits groeit, en belangrijker nog, de kwaliteit en betrouwbaarheid van foutcorrectie verbetert. IBM noemt zelf een periode tussen 2029 en 2033 als richttijd voor een grootschalig, foutgetolereerd systeem met duizenden betrouwbare logische qubits, maar dit soort roadmaps zijn prognoses van bedrijven met commerciële belangen, geen wetenschappelijke zekerheden.
De belangrijkste technische obstakels blijven: het opschalen van foutcorrectie zonder dat de overhead (het aantal fysieke qubits per logische qubit) onbeheersbaar groot wordt, het langer stabiel houden van qubittoestanden, en het betrouwbaar verbinden van meerdere kwantumchips tot één groter systeem. Over de vraag wanneer, en zelfs óf, kwantumcomputers ooit praktisch bruikbaar worden voor bijvoorbeeld het kraken van hedendaagse encryptie bestaat geen wetenschappelijke consensus; serieuze schattingen lopen uiteen van ruim tien jaar tot mogelijk nooit op de huidige technologische paden.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten domineren techgiganten als IBM en Google (beide met supergeleidende qubits), naast gespecialiseerde bedrijven zoals IonQ en Quantinuum (ionenvallen), Rigetti (supergeleidend) en PsiQuantum (fotonisch). Microsoft onderzoekt een fundamenteel andere, nog experimentele route via zogeheten topologische qubits, en Intel werkt aan qubits gebaseerd op silicium, voortbouwend op decennia chipfabricage-ervaring. D-Wave volgt een afwijkende aanpak genaamd kwantum-annealing, gericht op specifieke optimalisatieproblemen in plaats van universele berekeningen.
China investeert fors via staatsgefinancierd onderzoek, met resultaten zoals de eerdergenoemde Jiuzhang- en Zuchongzhi-chips. In Europa coördineert het EU Quantum Flagship-programma een groot deel van het onderzoek en de financiering, met QuTech in Delft als een van de vooraanstaande Europese onderzoekscentra, naast instituten in Duitsland, Frankrijk en Zwitserland (waaronder ETH Zürich).