Kwantumsupremie: het moment dat een kwantumcomputer de klassieke computer versloeg
Stel je twee rekenÂwedstrijden voor. In de ene race lost een gewone computer, hoe krachtig ook, een som pas op na duizenden jaren rekenen. In de andere race lost een heel ander soort machine — een kwantumcomputer — diezelfde som op in een paar minuten. Dat moment, waarop een kwantumcomputer voor het eerst aantoonbaar iets deed wat geen klassieke supercomputer binnen een redelijke tijd kon nadoen, noemen wetenschappers kwantumsupremie (in het Engels: quantum supremacy, tegenwoordig vaker quantum advantage of kwantumvoordeel genoemd).
Belangrijk om meteen te zeggen: kwantumsupremie betekent niet dat kwantumcomputers ineens nuttige problemen oplossen die niemand anders kan oplossen. Het gaat om een zorgvuldig gekozen, vaak kunstmatige testtaak, puur om te bewijzen dat het principe werkt. Het is te vergelijken met de eerste keer dat een vliegtuig van de grond kwam: nog geen passagiersvlucht naar Parijs, maar wel het bewijs dat vliegen kan. Sinds de eerste claim in 2019 is er flink gediscussieerd over hoe overtuigend dat bewijs eigenlijk was — en dat is precies waar dit artikel over gaat.
Wat is het precies?
Een gewone computer rekent met bits: schakelaartjes die óf een nul óf een één zijn. Een kwantumcomputer rekent met qubits, die dankzij een kwantummechanisch verschijnsel genaamd superpositie tegelijk iets van nul én iets van één kunnen zijn, totdat je ze meet. Qubits kunnen bovendien met elkaar “verstrengeld” raken (verstrengeling): hun toestanden hangen dan zo nauw samen dat je ze niet meer los van elkaar kunt beschrijven, ook niet als ze fysiek uit elkaar liggen.
Door meerdere qubits te combineren, ontstaat een rekenÂruimte die exponentieel groeit: met 50 qubits beschrijf je in theorie meer toestanden tegelijk dan er atomen in een gewone computer’s geheugen passen. Om te bewijzen dat een kwantumchip dit potentieel ook echt gebruikt, laten onderzoekers hem een specifieke taak uitvoeren: random circuit sampling. Daarbij wordt een reeks willekeurige kwantumbewerkingen op de qubits losgelaten, en meet je welke uitkomsten daaruit rollen. De uitkomsten zelf zijn niet nuttig — het gaat erom dat het voor een klassieke computer razend lastig is om te voorspellen welke uitkomsten waarschijnlijk zijn, omdat hij daarvoor in feite alle kwantumtoestanden zou moeten naboetseren.
Een variant hierop is boson sampling, waarbij niet elektrische qubits maar lichtdeeltjes (fotonen) door een netwerk van spiegels en splitsers worden gestuurd. Ook daarbij is het patroon van uitkomsten voor een klassieke computer extreem lastig na te rekenen, terwijl de fotonen het “probleem” als het ware vanzelf oplossen door simpelweg te bestaan en zich kwantummechanisch te gedragen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel van kwantumonderzoek is niet deze testtaken, maar praktische toepassingen: nieuwe medicijnen en materialen simuleren, complexe logistieke problemen optimaliseren, of (met de nodige zorgen over cyberveiligheid) bepaalde vormen van huidige versleuteling kraken. Die toepassingen liggen nog jaren verderop. Kwantumsupremie is bedoeld als tussenstap: een onomstreden, meetbaar bewijs dat een kwantumchip daadwerkelijk kwantummechanisch rekent op een schaal die klassieke computers niet kunnen bijbenen.
Zo’n bewijs is ook belangrijk voor vertrouwen en financiering. Kwantumcomputers zijn duur en fragiel, en tientallen jaren lang was niet zeker of ze ooit iets zouden kunnen wat een gewone computer niet ook —desnoods trager— kon. Een aantoonbare supremie-claim laat zien dat de fysica klopt en dat opschalen zinvol is, ook al is de gekozen taak zelf nutteloos.
Voorbeelden uit de praktijk
De bekendste claim kwam in 2019 van Google, met de processor Sycamore (53 qubits). Volgens de publicatie in Nature voerde Sycamore een random-circuit-samplingtaak uit in ongeveer 200 seconden, waar de toenmalige snelste supercomputer (Summit, van IBM) naar schatting duizenden jaren nodig zou hebben. Dit was de eerste keer dat het woord “supremacy” breed in het nieuws kwam.
IBM reageerde vrijwel meteen kritisch: het bedrijf betoogde dat Summit de taak, met een slimmere aanpak die meer gebruikmaakt van schijfruimte, in feite in een paar dagen had kunnen uitvoeren in plaats van duizenden jaren. Dat relativeerde de claim, al bleef het verschil tussen enkele minuten en enkele dagen indrukwekkend.
Eind 2020 claimde een Chinees team onder leiding van natuurkundige Pan Jianwei aan de University of Science and Technology of China (USTC) met de fotonische computer Jiuzhang eveneens kwantumsupremie, via boson sampling. In 2021 volgde Zuchongzhi, een supergeleidende chip met 56 qubits, eveneens van USTC, met een claim die de complexiteit van de oorspronkelijke Sycamore-taak zou overtreffen.
Vanaf 2022 lieten meerdere onderzoeksgroepen echter zien dat klassieke computers de oorspronkelijke Sycamore-taak, met slimmere wiskundige technieken (onder andere zogeheten tensornetwerk-methoden), aanzienlijk sneller konden nabootsen dan de aanvankelijke schatting van duizenden jaren — soms binnen dagen op een supercomputer. Dat betekent niet dat kwantumcomputers geen voordeel hebben, maar wel dat de precieze “voorsprong” uit 2019 kleiner bleek dan destijds gepresenteerd, en dat de lat voor toekomstige claims hoger is komen te liggen.
Hoe ver is de techniek?
Kwantumsupremie blijkt in de praktijk een bewegend doel: wat vandaag onmogelijk lijkt voor een klassieke computer, blijkt een paar jaar later vaak toch — met slimmere software of grotere supercomputers — haalbaar. Onderzoekers noemen dit soms de “klassieke tegenaanval”. Het gevolg is dat losse claims steeds kritischer worden bekeken, en dat de term quantum advantage (kwantumvoordeel) populairder wordt: die verwijst liever naar nuttige taken dan naar kunstmatige sampling-problemen.
De grootste hindernis blijft foutgevoeligheid. Qubits zijn extreem gevoelig voor warmte, trillingen en elektromagnetische ruis, waardoor rekenfouten optreden. De huidige generatie chips wordt daarom wel de NISQ-periode genoemd (Noisy Intermediate-Scale Quantum, een term die natuurkundige John Preskill in 2018 introduceerde): machines met te veel ruis en te weinig qubits voor werkelijk grootschalige, foutvrije berekeningen. Een belangrijke mijlpaal is kwantumfoutcorrectie, waarbij meerdere fysieke qubits samen één betrouwbaardere “logische” qubit vormen. Google Quantum AI meldde in 2023 een experiment waarbij het opschalen van zo’n foutcorrigerende “surface code” de foutkans daadwerkelijk deed dalen — een belangrijke stap, al is een volledig foutgecorrigeerde, praktisch bruikbare kwantumcomputer nog altijd naar verwachting jaren tot mogelijk meer dan een decennium verwijderd.
Wie werken eraan?
Naast Google Quantum AI en IBM Quantum, die beide met supergeleidende qubits werken en regelmatig chips met steeds meer qubits aankondigen, is USTC in China een van de belangrijkste onderzoeksgroepen, met zowel fotonische (Jiuzhang) als supergeleidende (Zuchongzhi) systemen. Andere spelers zijn IonQ en Quantinuum (ontstaan uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum), die werken met gevangen ionen als qubits, en PsiQuantum en Xanadu, die net als Jiuzhang op fotonica inzetten. D-Wave volgt een andere aanpak, kwantum-annealing, gericht op specifieke optimalisatieproblemen in plaats van algemene kwantumberekeningen.
In Nederland is QuTech in Delft — een samenwerking tussen de TU Delft en TNO — een vooraanstaand onderzoeksinstituut op dit gebied. Op beleidsniveau investeren zowel de Europese Unie (via het Quantum Flagship-programma) als de Verenigde Staten (via de National Quantum Initiative Act uit 2018) en China fors in kwantumonderzoek, deels vanuit wetenschappelijke ambitie en deels vanuit geopolitieke overwegingen rond toekomstige technologische voorsprong.