Kwantumtoestand: de bouwsteen achter kwantumtechnologie
Een kwantumtoestand is de volledige beschrijving van een deeltje of systeem op het allerkleinste schaalniveau, zoals een elektron, een foton (lichtdeeltje) of een kunstmatig gemaakte qubit in een chip. Waar een gewone computerbit altijd ofwel een 0 ofwel een 1 is, kan de kwantumtoestand van een qubit tegelijkertijd elementen van beide bevatten. Dat klinkt vreemd, en dat is het ook: het is een van de meest contra-intuïtieve ideeën uit de natuurkunde, maar het is honderd jaar lang keer op keer experimenteel bevestigd.
Een veelgebruikte, wat vereenvoudigde analogie is een muntje dat nog in de lucht draait. Zolang het draait, is het niet zinvol om te zeggen dat het kop óf munt is; pas op het moment dat het valt en je kijkt, wordt een van beide werkelijkheid. In de kwantummechanica heet dat laatste een meting, en het moment waarop de mogelijkheden 'vastklikken' tot één uitkomst heet het instorten (collapse) van de toestand. De analogie is nuttig maar niet perfect: een draaiende munt volgt gewoon de klassieke natuurkunde, terwijl een kwantumtoestand een wiskundig object is dat kansen én onderlinge samenhang tussen deeltjes beschrijft op een manier die geen klassiek systeem kan nabootsen.
Wat is het precies?
Een gewone bit heeft een vaste waarde: 0 of 1. Een qubit (kwantumbit) heeft een toestand die wiskundig wordt beschreven als een combinatie, ofwel superpositie, van de twee mogelijke uitkomsten 0 en 1. Elke uitkomst heeft een bepaalde 'sterkte' (amplitude) die bepaalt hoe waarschijnlijk die uitkomst is als je meet. Belangrijk: zolang er niet gemeten wordt, is de qubit niet 'stiekem al' 0 of 1 met een verborgen waarde — de superpositie is de werkelijke, volledige beschrijving van het systeem.
Zodra je een meting uitvoert, verdwijnt de superpositie en krijg je een van de twee uitkomsten, met een kans die door de amplitudes wordt bepaald. Dit is fundamenteel anders dan bij een klassieke munt die gewoon al kop of munt was voordat je keek — bij een kwantumtoestand bestaat de onzekerheid pas op totdat er gemeten wordt.
Een tweede kernbegrip is verstrengeling (entanglement): twee of meer qubits kunnen samen één gedeelde kwantumtoestand vormen, waarbij de uitkomst van een meting op de ene qubit onmiddellijk gecorreleerd is met die op de andere, ook als ze ver van elkaar verwijderd zijn. Dat is geen manier om sneller dan het licht informatie te versturen — dat verbiedt de natuurkunde nog steeds — maar het levert wel statistische correlaties op die sterker zijn dan met klassieke natuurkunde mogelijk is.
Het grootste praktische probleem is dat kwantumtoestanden extreem fragiel zijn. Zodra een qubit ongewild in wisselwerking treedt met zijn omgeving — trillingen, warmte, elektromagnetische ruis — verliest hij zijn kwantumkarakter. Dat proces heet decoherentie en is de belangrijkste technische horde in vrijwel alle kwantumtechnologie. Om decoherentie te vertragen, worden qubits gebouwd met supergeleidende circuits die tot bijna het absolute nulpunt worden afgekoeld, met individuele atomen die met laserlicht in een val worden gehouden (trapped ions), met fotonen, of met de spin van elektronen of atoomkernen in vaste stoffen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het idee om superpositie en verstrengeling te benutten, komt voort uit een simpel maar diepgaand inzicht van natuurkundige Richard Feynman in de jaren tachtig: klassieke computers hebben exponentieel veel rekenkracht nodig om kwantumsystemen — zoals moleculen — na te bootsen, omdat de hoeveelheid mogelijke toestanden razendsnel oploopt. Een machine die zelf op kwantummechanica draait, zou zulke problemen mogelijk veel efficiënter kunnen aanpakken.
Daaruit zijn verschillende doelen ontstaan. Kwantumcomputing wil bepaalde reken- en optimalisatieproblemen sneller oplossen dan met klassieke computers ooit mogelijk zou zijn, bijvoorbeeld bij het simuleren van moleculen voor medicijn- en materiaalontwikkeling. Kwantumcommunicatie, met name kwantumsleuteldistributie, gebruikt de eigenschap dat een meting een kwantumtoestand verstoort om afluisteren van versleutelde verbindingen aantoonbaar detecteerbaar te maken. Kwantumsensoren maken gebruik van de extreme gevoeligheid van fragiele kwantumtoestanden om magnetische velden, zwaartekracht of tijd met ongekende precisie te meten, bijvoorbeeld in atoomklokken. Een groter, nog verder weg gelegen doel is een kwantuminternet: een netwerk dat verstrengelde kwantumtoestanden tussen steden of continenten kan verspreiden.
Voorbeelden uit de praktijk
In 2019 claimde Google met zijn 53-qubit chip Sycamore voor het eerst 'kwantumsuprematie': de chip voerde een specifieke, praktisch weinig nuttige rekentaak uit die volgens Google op de snelste klassieke supercomputer van dat moment duizenden jaren zou kosten. Die claim werd later door onderzoekers en concurrenten deels betwist, omdat verbeterde klassieke algoritmes de kloof kleiner maakten dan aanvankelijk gedacht.
IBM bouwde vervolgens steeds grotere supergeleidende chips, met namen als Osprey (433 qubits, eind 2022) en Condor (ruim duizend qubits, eind 2023), als onderdeel van een openbare routekaart richting foutbestendige kwantumcomputers.
In China demonstreerde de Universiteit van Wetenschap en Technologie (USTC) de fotonische kwantumcomputer Jiuzhang (2020) en later de supergeleidende chip Zuchongzhi (2021), eveneens gepresenteerd als bewijs van kwantumvoordeel op specifieke benchmarktaken.
Op het gebied van communicatie lanceerde China in 2016 de satelliet Micius, waarmee in 2017 voor het eerst kwantumsleuteldistributie over een afstand van meer dan duizend kilometer werd gedemonstreerd, tussen twee grondstations.
Dichter bij huis toonden onderzoekers van QuTech in Delft in 2021 een kwantumnetwerk met drie knooppunten, waarbij verstrengeling tussen niet-naburige knooppunten tot stand werd gebracht — een belangrijke bouwsteen richting een toekomstig kwantuminternet.
Hoe ver is de techniek?
De sector bevindt zich in wat onderzoekers de NISQ-periode noemen (Noisy Intermediate-Scale Quantum): er bestaan al machines met honderden tot ruim duizend qubits, maar de foutpercentages per rekenstap zijn nog te hoog om daarmee betrouwbaar grote, praktisch nuttige berekeningen uit te voeren. Qubits blijven maar kort — doorgaans microseconden tot enkele milliseconden — hun kwantumtoestand behouden voordat decoherentie toeslaat.
De weg vooruit loopt via kwantumfoutcorrectie: door veel foutgevoelige fysieke qubits samen te laten werken, kun je één stabielere 'logische' qubit maken. Lange tijd gold het probleem dat meer fysieke qubits ook meer fouten introduceerden, tot foutcorrectie de winst zou overtreffen. Rond 2023-2024 rapporteerden onderzoeksgroepen, waaronder Google, voor het eerst experimenten waarbij het toevoegen van extra qubits de prestaties daadwerkelijk verbeterde in plaats van verslechterde — een belangrijke, maar nog vroege stap, geen doorbraak die het probleem al oplost.
Eerlijkheidshalve: er is tot dusver geen aangetoond, praktisch bruikbaar probleem waarbij een kwantumcomputer overtuigend en onomstreden sneller is dan de beste klassieke aanpak. De gepubliceerde 'suprematie'-experimenten zijn zorgvuldig gekozen benchmarktaken zonder directe toepassing, en klassieke onderzoekers blijven met slimmere algoritmes en meer rekenkracht terrein terugwinnen. Schattingen over wanneer foutbestendige, breed inzetbare kwantumcomputers beschikbaar komen, lopen uiteen van enkele jaren tot enkele decennia, en serieuze onderzoekers erkennen dat die onzekerheid reëel is.
Wie werken eraan?
Onder de bedrijven lopen IBM, Google (Alphabet) en Microsoft voorop met supergeleidende chips en cloudplatforms voor onderzoek. IonQ en Quantinuum (ontstaan uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum) zetten in op qubits gemaakt van gevangen individuele ionen, terwijl D-Wave een andere aanpak volgt met gespecialiseerde kwantumannealing-machines voor optimalisatieproblemen. PsiQuantum en anderen experimenteren met fotonische qubits.
Op onderzoeksgebied speelt QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en onderzoeksorganisatie TNO, een vooraanstaande rol in kwantumnetwerken, ondersteund door het nationale programma Quantum Delta NL. Ook USTC in China, MIT, Caltech en het Duitse Max Planck Instituut behoren tot de toonaangevende onderzoeksinstituten. Op beleidsniveau investeren de Europese Unie via het Quantum Flagship-programma, de Verenigde Staten via de National Quantum Initiative, en China met omvangrijke staatsinvesteringen fors in het veld, wat onderstreept dat kwantumtechnologie inmiddels ook als strategisch en geopolitiek belangrijk wordt gezien.