Kwantumsimulatie: de natuur naspelen met haar eigen regels
Stel je voor dat je wilt voorspellen hoe honderd magneten zich gedragen als je ze vlak bij elkaar legt: elke magneet beïnvloedt alle andere, en samen ontstaat een patroon dat niemand vooraf kan uittekenen. Nu vervang je die magneten door atomen, elektronen of moleculen, die zich bovendien houden aan de vreemde regels van de kwantummechanica. Dat is precies het probleem waar natuurkundigen al decennia tegenaan lopen: sommige kwantumsystemen zijn zo complex dat zelfs de snelste supercomputer ter wereld ze niet kan doorrekenen. Kwantumsimulatie is het idee om dat probleem op te lossen door niet te rékenen aan zo'n systeem, maar door er een kunstmatige, controleerbare kopie van te bouwen met andere kwantumdeeltjes.
Een vergelijking maakt het concreet. Wil je weten hoe een verkeersopstopping ontstaat, dan kun je proberen elke auto met formules te beschrijven, maar bij duizenden auto's loopt die berekening vast. Een alternatief is een verkleind, werkend model bouwen — met speelgoedautootjes die zich aan dezelfde regels houden — en gewoon kijken wat er gebeurt. Kwantumsimulatie doet iets vergelijkbaars, maar dan met echte kwantumdeeltjes als "speelgoedautootjes" voor andere kwantumdeeltjes, zoals elektronen in een supergeleider of atomen in een molecuul.
Wat is het precies?
Gewone computers slaan informatie op in bits die 0 of 1 zijn. Een qubit, de bouwsteen van een kwantumcomputer, kan dankzij superpositie tegelijk een beetje 0 én 1 zijn. Qubits kunnen elkaar bovendien op een niet-klassieke manier beïnvloeden, een verschijnsel dat verstrengeling heet: de toestand van het ene qubit hangt onlosmakelijk samen met die van een ander, ook als je ze niet apart meet.
Precies diezelfde verschijnselen — superpositie en verstrengeling — bepalen ook hoe elektronen in een molecuul of atomen in een kristal zich gedragen. Een klassieke computer moet die kwantumeffecten met brute rekenkracht nabootsen, en het aantal mogelijke toestanden groeit daarbij exponentieel met elk extra deeltje. Bij zo'n veertig tot vijftig deeltjes lopen zelfs de grootste supercomputers vast. Een kwantumsysteem heeft dat probleem niet: het "berekent" zijn eigen gedrag automatisch, gewoon door te bestaan.
De natuurkundige Richard Feynman opperde dit idee al in 1982: als de natuur zelf kwantummechanisch is, gebruik dan een kwantumsysteem om een ander kwantumsysteem na te bootsen, in plaats van alles met klassieke computers te willen uitrekenen.
In de praktijk bestaan er twee hoofdvormen. Bij analoge kwantumsimulatie bouw je een fysiek systeem — bijvoorbeeld extreem koude atomen die met laserlicht in een rooster worden vastgehouden — dat van nature dezelfde wiskunde volgt als het systeem dat je wilt begrijpen, zoals elektronen in een kristalrooster. Bij digitale kwantumsimulatie gebruik je een programmeerbare, universele kwantumcomputer die met kwantumpoorten (de kwantumversie van logische schakelingen) stap voor stap een wiskundig model van het doelsysteem opbouwt. Digitaal is flexibeler maar gevoeliger voor fouten; analoog is minder flexibel maar vaak al bruikbaar met de huidige, nog onvolmaakte hardware.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is grip krijgen op materialen en moleculen waarvan het gedrag wordt bepaald door kwantumeffecten die klassieke modellen niet goed vatten. Denk aan supergeleiders die pas bij extreme kou stroom zonder weerstand geleiden, of aan magnetische materialen met ongewone eigenschappen. Beter begrip hiervan kan leiden tot nieuwe materialen voor bijvoorbeeld energieopslag.
Ook de scheikunde en farmacie kijken er reikhalzend naar uit. Het exact berekenen van hoe moleculen reageren — cruciaal voor het ontwerpen van medicijnen, katalysatoren of betere batterijen — is voor grote moleculen op klassieke computers vaak onbetaalbaar duur. Een goed werkende kwantumsimulator zou dat soort chemische berekeningen in principe veel efficiënter kunnen maken.
Daarnaast is kwantumsimulatie voor natuurkundigen zelf een instrument om fundamentele vragen te onderzoeken, bijvoorbeeld over deeltjesfysica of over hoe fase-overgangen (zoals van vloeistof naar gas) er in een kwantumwereld uitzien. Een belangrijke reden waarom dit vakgebied zoveel aandacht krijgt, is bovendien praktisch: veel onderzoekers verwachten dat bruikbare kwantumsimulaties eerder haalbaar zijn dan een volwaardige, foutvrije kwantumcomputer die alle soorten berekeningen aankan. Simulatie van kwantumsystemen zou daardoor weleens de eerste échte toepassing met wetenschappelijke of economische waarde kunnen worden.
Voorbeelden uit de praktijk
Een vroege mijlpaal in analoge simulatie kwam in 2002, toen de groep van Immanuel Bloch (destijds in München) met ultrakoude atomen in een lichtrooster de overgang liet zien van een superfluïde naar een Mott-isolator — een kwantumfase-overgang die decennia eerder alleen theoretisch was voorspeld. Dit experiment geldt als een van de eerste overtuigende demonstraties dat kunstmatige atoomsystemen echte kwantumfysica kunnen naspelen.
In 2017 simuleerde een team van IBM met een supergeleidende zesqubit-processor het molecuul berylliumhydride (BeH2), destijds het grootste molecuul dat ooit op een kwantumcomputer was doorgerekend, met een methode die bekendstaat als de variationele kwantum-eigensolver (VQE).
Google Quantum AI publiceerde in 2020 een studie waarin de chemische reactie van diazeen (een eenvoudige stikstofverbinding) werd gesimuleerd met twaalf qubits, met de zogeheten Hartree-Fock-methode uit de kwantumchemie.
De groep van Mikhail Lukin aan Harvard bouwde in 2021 een programmeerbare simulator van 256 individueel bestuurbare atomen, vastgehouden met lasers ("optische pincetten"), waarmee complexe magnetische fase-overgangen in kaart werden gebracht — destijds een van de grootste gecontroleerde kwantumsystemen ooit.
Die technologie werd de basis voor Aquila, een 256-qubit analoge kwantumsimulator van het bedrijf QuEra Computing die sinds 2023 via de cloud (Amazon Braket) toegankelijk is voor onderzoekers wereldwijd, zonder dat zij eigen hardware nodig hebben.
Hoe ver is de techniek?
Het veld bevindt zich in wat onderzoekers de NISQ-fase noemen: Noisy Intermediate-Scale Quantum, oftewel ruizige kwantumsystemen van beperkte omvang. De qubits zijn nog gevoelig voor storingen uit de omgeving, waardoor kwantuminformatie snel verloren gaat (decoherentie) en fouten zich opstapelen naarmate een berekening langer duurt of meer qubits gebruikt.
Voor analoge simulaties is dat probleem minder ernstig dan voor algemene kwantumcomputers: als je specifiek een magnetisch systeem wilt naspelen, hoeft de simulator niet foutloos te zijn om al nuttige, wetenschappelijk interessante signalen op te leveren. Daardoor konden experimenten met honderden atomen al zinvolle natuurkunde opleveren, terwijl volwaardige, foutgecorrigeerde kwantumcomputers voor algemene berekeningen nog ver weg zijn.
Toch is er nog een groot gat tussen wat er nu kan en wat nodig is voor bijvoorbeeld industrieel relevante medicijn- of materiaalontwikkeling. Daarvoor zijn simulaties nodig met veel meer deeltjes en veel lagere foutmarges dan vandaag haalbaar is. Grote spelers als IBM en Google werken aan kwantumfoutcorrectie — technieken om informatie over veel fysieke qubits te verspreiden zodat een klein aantal fouten geen ramp is — met routekaarten die uitkomen richting het einde van dit decennium, al blijft de exacte tijdlijn onzeker en zijn eerdere voorspellingen in de sector regelmatig bijgesteld.
Wie werken eraan?
Onder de bedrijven lopen IBM en Google Quantum AI voorop met supergeleidende qubit-chips waarop ook digitale kwantumsimulaties draaien. IonQ en Quantinuum (ontstaan uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum) gebruiken gevangen ionen als qubits. Voor analoge simulatie met neutrale atomen zijn QuEra Computing (voortgekomen uit onderzoek aan Harvard en MIT) en het Franse Pasqal de bekendste namen.
Aan de academische kant spelen onder meer Harvard en MIT een centrale rol, net als het Max Planck Instituut voor Kwantumoptica in Duitsland, de universiteiten van Innsbruck en München, en in Nederland QuTech, het onderzoekscentrum van de TU Delft en TNO dat zich specifiek op kwantumtechnologie richt. Ook Chinese onderzoeksgroepen, met name rond de University of Science and Technology of China, boeken regelmatig vooruitgang.
Op beleidsniveau steunen onder meer de Amerikaanse National Quantum Initiative, het Europese Quantum Flagship-programma en nationale kwantumagenda's, waaronder die van Nederland, het onderzoek met langjarige financiering, omdat kwantumsimulatie wordt gezien als een technologie met potentieel strategisch én economisch belang.