Optische kwantumcomputer: rekenen met deeltjes licht
Een optische kwantumcomputer — ook wel fotonische kwantumcomputer genoemd — is een kwantumcomputer die geen elektronen in een chip of afgekoelde atomen gebruikt om te rekenen, maar fotonen: de kleinste deeltjes licht. In plaats van elektrische stroompjes door transistors te sturen, stuurt zo'n machine losse lichtdeeltjes door een netwerk van spiegels, glasvezels en kristallen. Het gedrag van die fotonen — waar ze heen gaan, hoe ze met elkaar interfereren — vormt de berekening.
Stel je een flipperkast voor, maar dan met licht in plaats van een balletje, en met wegen die het balletje tegelijk over meerdere paden lijkt te nemen. Dat 'tegelijk meerdere mogelijkheden' is de kern van kwantumcomputing: een gewone bit is een 0 of een 1, een kwantumbit (qubit) kan een mengvorm van beide zijn. Bij een optische kwantumcomputer wordt die qubit vastgelegd in een eigenschap van het foton zelf, bijvoorbeeld de richting waarin het trilt (polarisatie) of het pad dat het door de chip aflegt.
Wat is het precies?
De basisbouwstenen van een optische kwantumcomputer zijn relatief eenvoudig te benoemen, ook al is de techniek erachter geavanceerd. Een enkelfotonbron maakt op verzoek precies één lichtdeeltje. Dat foton reist door een bundelsplitser, een minuscuul optisch element dat licht kan splitsen of samenvoegen, en door een faseschuiver, die de 'timing' van de lichtgolf net iets verschuift. Aan het eind meet een zeer gevoelige fotondetector waar het foton is beland. Door deze onderdelen slim te combineren op een chip, ontstaat een interferometer: een netwerk waarin lichtpaden elkaar versterken of juist uitdoven, en precies dat interferentiepatroon bevat het rekenresultaat.
Er bestaan meerdere manieren om informatie in een foton te coderen. Bij padcodering geeft de weg die het foton neemt de waarde van de qubit aan. Bij polarisatiecodering bepaalt de trillingsrichting van het licht de waarde. Bij time-bin-codering gaat het om het exacte moment waarop het foton aankomt. Elke methode heeft eigen voor- en nadelen op het gebied van stabiliteit en compatibiliteit met bestaande glasvezelnetwerken.
Een belangrijke theoretische doorbraak kwam in 2001, toen de natuurkundigen Emanuel Knill, Raymond Laflamme en Gerard Milburn beschreven hoe je met alleen fotonen, spiegels en detectoren — zonder dat fotonen elkaar rechtstreeks hoeven te 'voelen' — toch de rekenkundige bouwstenen (kwantumpoorten) van een universele computer kunt bouwen. Dit staat bekend als het KLM-protocol, vernoemd naar de drie auteurs. Het probleem is dat veel van deze poorten kansgestuurd (probabilistisch) werken: ze lukken alleen soms, en je moet slim gebruikmaken van metingen en 'reserve'-fotonen om toch een betrouwbare berekening te krijgen.
Naast pogingen om een universele fotonische kwantumcomputer te bouwen, bestaat er een tweede, beperktere aanpak die de afgelopen jaren veel aandacht kreeg: Gaussian boson sampling. Hierbij stuur je geen losse, discrete fotonen maar 'geknepen licht' (squeezed light — licht waarvan de kwantumonzekerheid in één richting is verkleind) door een groot netwerk van bundelsplitsers, en tel je aan het eind hoeveel fotonen in elke uitgang belanden. Het simuleren van die uitkomst op een klassieke computer blijkt extreem lastig te worden naarmate het netwerk groter wordt — dat maakt het een populaire manier om te laten zien dat een kwantummachine iets kan wat een gewone computer praktisch niet kan natekenen. Het is echter geen algemeen bruikbare berekening; het is vooral een demonstratie van rekenkracht op een kunstmatig probleem.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers zien in licht een aantal praktische voordelen ten opzichte van andere kwantumtechnieken, zoals supergeleidende chips (die tot vlak bij het absolute nulpunt gekoeld moeten worden) of gevangen ionen. Fotonen bewegen zich voort bij kamertemperatuur en worden nauwelijks verstoord door hun omgeving, omdat licht niet snel 'botst' met warmte of trillingen. Dat maakt de optische onderdelen van het systeem in potentie eenvoudiger te bedrijven dan extreem koude supergeleidende chips — al blijven veel van de bijbehorende fotondetectoren wél gekoeld werken voor optimale gevoeligheid.
Een tweede aantrekkelijk kenmerk is dat fotonen de natuurlijke dragers zijn van informatie in glasvezelnetwerken, het bestaande internet. Dat opent de deur naar een kwantuminternet: een netwerk waarin kwantuminformatie tussen machines of steden wordt uitgewisseld, voor bijvoorbeeld extra veilige communicatie of het koppelen van meerdere kleinere kwantumcomputers tot één groter geheel.
De uiteindelijke belofte is dezelfde als bij andere vormen van kwantumcomputing: het efficiënt doorrekenen van problemen die voor gewone computers onhaalbaar zijn, zoals het simuleren van moleculen voor medicijn- en materiaalontwikkeling, bepaalde optimalisatievraagstukken, en onderdelen van cryptografie. Voor optische systemen specifiek wordt ook gekeken naar snelheid: licht plant zich zeer snel voort, wat in theorie hogesnelheidsberekeningen mogelijk maakt.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Chinese onderzoeksteam van de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China (USTC) bouwde vanaf 2020 een reeks machines onder de naam Jiuzhang. Met Gaussian boson sampling op tientallen tot enkele honderden fotonen claimden de onderzoekers als eerste een fotonisch 'kwantumvoordeel': een taak die een gewone supercomputer praktisch niet kon nabootsen. Opvolgers Jiuzhang 2.0 (2021) en Jiuzhang 3.0 (2023) vergrootten de schaal van het experiment verder.
Het Canadese bedrijf Xanadu, gevestigd in Toronto, presenteerde in 2022 zijn processor Borealis, waarmee het via het internet toegankelijk was voor gebruikers. In een publicatie in het vaktijdschrift Nature beschreef het team een Gaussian-boson-sampling-experiment met ruim tweehonderd optische modi, wat volgens de onderzoekers eveneens een aantoonbaar kwantumvoordeel opleverde.
Het Amerikaanse bedrijf PsiQuantum mikt niet op zo'n specifieke demonstratie, maar rechtstreeks op een fouttolerante, praktisch bruikbare fotonische kwantumcomputer op grote schaal. Het bedrijf werkt samen met chipfabrikant GlobalFoundries om siliciumfotonica-chips te produceren met bestaande halfgeleiderfabricagemethoden, en kondigde vestigingen aan in onder meer Chicago (Verenigde Staten) en Brisbane (Australië) voor de bouw van toekomstige machines.
Dichter bij huis ontwikkelt QuiX Quantum, een spin-off van de Universiteit Twente, programmeerbare fotonische processoren die wereldwijd aan onderzoeksgroepen worden geleverd om kwantumalgoritmes op licht te testen. Het Britse ORCA Computing combineert fotonica met een vorm van kwantumgeheugen om fotonen tijdelijk 'vast te houden', wat de kans op succesvolle kwantumbewerkingen moet vergroten.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk om de recente 'kwantumvoordeel'-experimenten in perspectief te plaatsen. Machines als Jiuzhang en Borealis zijn niet programmeerbaar voor willekeurige taken en bevatten geen kwantumfoutcorrectie: ze zijn gebouwd om één specifiek, kunstmatig wiskundig probleem (boson sampling) zo goed mogelijk uit te voeren, juist omdat dat probleem moeilijk na te bootsen is met gewone computers. Dat is een waardevolle wetenschappelijke mijlpaal, maar geen bewijs dat er al een bruikbare, algemene kwantumcomputer bestaat.
De belangrijkste technische obstakels liggen op een paar vlakken. Ten eerste fotonverlies: elke spiegel, splitser en meter langs de weg laat een deel van de fotonen 'weglekken', en hoe groter en complexer het optische circuit, hoe meer verlies optreedt. Ten tweede zijn goede enkelfotonbronnen lastig te maken: ze werken vaak probabilistisch, wat betekent dat je niet op commando precies één identiek foton krijgt, maar soms nul, soms twee, of fotonen die net iets van elkaar verschillen. Ten derde is het opschalen van de interferometernetwerken zelf — met duizenden of miljoenen optische componenten foutloos op een chip integreren — een enorme fabricage-uitdaging. Ten slotte moet er, net als bij andere kwantumtechnieken, een vorm van foutcorrectie komen die bestand is tegen deze verliezen, wil de machine op grote schaal betrouwbaar blijven rekenen.
Over het tempo waarin deze obstakels worden opgelost, lopen de meningen uiteen. Bedrijven als PsiQuantum spreken de ambitie uit om nog dit decennium een bruikbare, fouttolerante machine te bouwen; onafhankelijke wetenschappers zijn voorzichtiger en houden rekening met een tijdlijn die zich eerder over de jaren 2030 uitstrekt, of wijzen erop dat sommige doelen mogelijk nooit op de aangekondigde termijn worden gehaald. Eenduidige, geverifieerde mijlpalen voor een bruikbare optische kwantumcomputer zijn er op dit moment nog niet.
Wie werken eraan?
Naast de eerder genoemde PsiQuantum, Xanadu, USTC, QuiX Quantum en ORCA Computing, ontwikkelt ook het Franse bedrijf Quandela fotonische kwantumchips en enkelfotonbronnen. Academisch onderzoek naar optische kwantumtechnologie gebeurt onder meer bij QuTech in Delft (een samenwerking tussen de TU Delft en TNO) en aan de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk, beide met een lange traditie in fotonica-onderzoek.
Op beleidsniveau steunt de Europese Unie kwantumonderzoek via het Quantum Flagship-programma, dat meerdere Europese onderzoeksgroepen en bedrijven op het gebied van fotonische en andere kwantumtechnologie financiert. Ook de Verenigde Staten, China en het Verenigd Koninkrijk hebben substantiële nationale investeringsprogramma's voor kwantumtechnologie, waarbinnen fotonica een van meerdere concurrerende benaderingen is naast supergeleidende chips, gevangen ionen en andere platformen.