Qubit: de bouwsteen van de kwantumcomputer
Een qubit, kort voor kwantumbit, is de kleinste eenheid informatie in een kwantumcomputer. Waar een gewone computer rekent met bits die altijd óf een 0 óf een 1 zijn, kan een qubit dankzij de wetten van de kwantummechanica tijdelijk in een mengsel van beide toestanden tegelijk verkeren. Een bekende manier om dit voor te stellen is een tollende munt: zolang hij draait, is hij niet simpelweg kop óf munt, maar een combinatie van beide mogelijkheden. Pas op het moment dat de munt stilvalt en je hem bekijkt, "kiest" hij definitief voor kop of munt.
Dat vermogen om tijdelijk meerdere mogelijkheden tegelijk te vertegenwoordigen, heet superpositie, en het is de kern van waarom kwantumcomputers voor bepaalde taken potentieel veel efficiënter kunnen rekenen dan klassieke computers. Belangrijk is wel: een qubit is geen "snellere bit" die alle waarden tegelijk doorrekent zoals soms wordt gesuggereerd. Het is een fundamenteel andere manier van informatie coderen, die alleen bij zorgvuldig ontworpen algoritmes tot een voordeel leidt — en die bovendien extreem gevoelig en moeilijk te beheersen is.
Wat is het precies?
Een klassieke bit is fysiek meestal een schakelaar die aan of uit staat: stroom of geen stroom, 0 of 1. Een qubit wordt daarentegen gecodeerd in een kwantumsysteem, bijvoorbeeld de energietoestand van een deeltje of de stroomrichting in een supergeleidend circuitje. Zo'n systeem gehoorzaamt aan de kwantummechanica, de natuurkunde die geldt op de schaal van atomen en deeltjes, en die zich compleet anders gedraagt dan de wereld die we met het blote oog zien.
Zolang je een qubit niet meet, bevindt hij zich in superpositie: een wiskundige combinatie van de toestanden 0 en 1, elk met een bepaalde kans. Meet je de qubit, dan "klapt" die superpositie ineen (dit heet collaps) tot één definitieve uitkomst, 0 of 1. De kunst van het kwantumrekenen is om qubits zo te manipuleren dat de kansen zich tijdens de berekening gunstig opstapelen richting het juiste antwoord, vlak voordat je meet.
Een tweede belangrijke eigenschap is verstrengeling (Engels: entanglement). Twee of meer qubits kunnen zo met elkaar verbonden raken dat de toestand van de ene onlosmakelijk samenhangt met die van de andere, ook als ze fysiek gescheiden zijn. Meet je de ene qubit, dan weet je onmiddellijk iets over de andere. Verstrengeling is wat kwantumcomputers hun rekenkracht geeft bij specifieke problemen, en ligt ook aan de basis van toekomstige plannen voor een "kwantuminternet".
Het probleem is dat qubits extreem fragiel zijn. Trillingen, warmte, elektromagnetische straling of simpelweg het verstrijken van tijd kunnen de kwantumtoestand verstoren, een proces dat decoherentie heet. Zodra decoherentie optreedt, gaat de informatie in de qubit verloren of raakt ze onbetrouwbaar. Daarom worden qubits vaak gekoeld tot vlakbij het absolute nulpunt (ongeveer -273°C) en zorgvuldig afgeschermd.
Er bestaan verschillende fysieke manieren om een qubit te bouwen, en de sector heeft nog geen winnaar aangewezen. Bekende varianten zijn: supergeleidende circuits (piepkleine elektrische schakelingen die bij extreme kou kwantumgedrag vertonen, gebruikt door onder meer IBM en Google), ion-vallen (individuele geladen atomen die met lasers en elektrische velden worden vastgehouden en bestuurd), fotonen (lichtdeeltjes, die van nature minder gevoelig zijn voor sommige storingen maar lastig te laten interageren zijn), en spin-qubits in silicium (waarbij de kwantumeigenschap "spin" van een elektron in een siliciumchip wordt gebruikt, een aanpak die aansluit bij bestaande chipfabricage).
Wat wil men ermee bereiken?
Een kwantumcomputer is geen algemene vervanger van je laptop en zal die ook niet worden: voor e-mail lezen of een spreadsheet openen biedt hij geen enkel voordeel. De belofte zit in een beperkte, maar potentieel belangrijke categorie problemen waarbij klassieke computers vastlopen omdat het aantal mogelijke combinaties exponentieel groeit.
Het meest concrete toepassingsgebied is het simuleren van moleculen en materialen. Chemische reacties en de eigenschappen van moleculen zijn zelf kwantummechanisch van aard, waardoor een kwantumcomputer ze in principe natuurlijker kan naboetsen dan een klassieke computer. Dit zou kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe medicijnen, betere batterijen, of efficiëntere katalysatoren voor bijvoorbeeld kunstmestproductie.
Een tweede beloftevol gebied is optimalisatie: het vinden van de beste oplossing uit een enorm aantal mogelijkheden, zoals bij routeplanning, logistiek of financiële portefeuilles. Hier is het overigens nog onduidelijk voor welke specifieke praktijkproblemen kwantumcomputers echt sneller zullen zijn dan de beste klassieke methodes.
Tot slot is er cryptografie, met twee kanten. Enerzijds vormt een voldoende krachtige kwantumcomputer een dreiging voor veelgebruikte versleuteling: het beroemde Shor's algoritme zou in theorie de wiskundige basis van RSA-encryptie (gebruikt om internetverkeer te beveiligen) kunnen kraken. Dit heeft geleid tot onderzoek naar "post-kwantumcryptografie", nieuwe versleutelingsmethodes die ook tegen kwantumcomputers bestand zijn. Anderzijds biedt kwantumtechnologie ook kansen voor nieuwe, in theorie afluisterbestendige communicatie via kwantumverstrengeling.
Voorbeelden uit de praktijk
In 2019 claimde Google met zijn chip Sycamore, met 53 qubits, "kwantumsuprematie" te hebben bereikt: een specifieke, voor de praktijk vrijwel nutteloze rekentaak die de chip volgens Google sneller uitvoerde dan enige klassieke supercomputer haalbaar zou zijn. De claim was invloedrijk maar ook omstreden; latere klassieke methodes hebben delen van de gestelde onhaalbaarheid al genuanceerd.
IBM bouwt sinds enkele jaren een reeks steeds grotere supergeleidende chips, met namen als Eagle, Osprey en Condor, die stapsgewijs meer qubits bevatten. Recenter is IBM overgestapt op een strategie die minder inzet op puur qubit-aantal en meer op kwaliteit en modulariteit, met chips uit de Heron-serie, gericht op het combineren van meerdere chips tot grotere systemen.
In Nederland werkt QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en onderzoeksinstituut TNO, aan spin-qubits in silicium en aan de bouwstenen van een toekomstig kwantuminternet. Delft heeft internationaal aandacht gekregen met experimenten waarbij verstrengeling tussen meerdere, fysiek gescheiden kwantumknooppunten werd gedemonstreerd, een stap richting een netwerk dat kwantuminformatie kan doorgeven.
In China heeft de University of Science and Technology of China (USTC) met het fotonische systeem Jiuzhang een vergelijkbare suprematie-claim gedaan als Google, maar dan met licht in plaats van supergeleidende circuits, via een taak die "boson sampling" heet.
Eind 2024 meldde Google met een nieuwe chip, Willow, naar eigen zeggen een belangrijke mijlpaal in foutcorrectie: voor het eerst zou het foutpercentage van een logische (foutgecorrigeerde) qubit dalen naarmate er meer fysieke qubits aan werden toegevoegd, in plaats van stijgen. Dit wordt gezien als een cruciale voorwaarde voor grootschalige, betrouwbare kwantumcomputers, al vergt onafhankelijke verificatie en praktische opschaling van dit soort resultaten doorgaans nog jaren.
Hoe ver is de techniek?
De sector bevindt zich in wat onderzoekers het NISQ-tijdperk noemen, een term (Noisy Intermediate-Scale Quantum, oftewel "ruizige kwantumsystemen van beperkte omvang") die natuurkundige John Preskill rond 2018 introduceerde. Huidige kwantumchips hebben op zijn best enkele honderden tot iets meer dan duizend qubits, die nog relatief foutgevoelig zijn en maar kort hun kwantumtoestand vasthouden.
Voor de meeste beloftevolle toepassingen is kwantumfoutcorrectie nodig: het combineren van veel onbetrouwbare "fysieke" qubits tot één betrouwbare "logische" qubit. Afhankelijk van de gebruikte foutcorrectiecode (zoals de veelgebruikte "surface code") kunnen daarvoor al snel honderden tot duizenden fysieke qubits per logische qubit nodig zijn. Dat betekent dat een kwantumcomputer met praktisch nut mogelijk honderdduizenden tot miljoenen fysieke qubits vergt, terwijl de huidige generatie chips daar nog ver van verwijderd is.
Tijdspaden in dit veld zijn notoir onzeker. Al zeker een decennium wordt gezegd dat een praktisch bruikbare, foutgecorrigeerde kwantumcomputer "over vijf tot tien jaar" beschikbaar zou zijn, zonder dat die belofte tot nu toe is ingelost. Er is bovendien geen consensus over welk fysiek platform — supergeleidend, ionen, fotonen, spins, of het meer omstreden topologische pad — uiteindelijk het meest kansrijk zal blijken. Voorlopig blijft voorzichtigheid op zijn plaats: veel aangekondigde mijlpalen zijn belangrijk binnen het onderzoeksveld, maar nog ver verwijderd van een computer die dagelijks bruikbare problemen oplost die klassieke computers niet aankunnen.
Wie werken eraan?
Onder de bedrijven die actief kwantumhardware bouwen, springen enkele namen eruit. IBM en Google zetten vooral in op supergeleidende qubits en bieden via de cloud toegang tot hun systemen. Microsoft onderzoekt een fundamenteel andere aanpak met zogeheten topologische qubits, gebaseerd op exotische kwantumdeeltjes (Majorana-achtige deeltjes); eerdere claims van Microsoft op dit gebied zijn deels teruggetrokken na kritiek van andere onderzoekers, en latere, nieuwere claims moeten nog breed onafhankelijk bevestigd worden. Amazon biedt via zijn cloudplatform toegang tot kwantumsystemen van meerdere aanbieders. IonQ en Quantinuum (ontstaan uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum in 2021) richten zich op ion-valtechnologie. PsiQuantum zet in op fotonische qubits. Rigetti werkt eveneens met supergeleidende chips. D-Wave volgt een ander paradigma: kwantum-annealing, een specialistische techniek gericht op optimalisatieproblemen, die niet hetzelfde is als de universele, op logische poorten gebaseerde kwantumcomputers van de meeste andere spelers.
Op onderzoeksgebied is QuTech in Delft internationaal een van de bekendere instituten, met een focus op spin-qubits en kwantumnetwerken. In China speelt USTC een vergelijkbare rol. Landen en regio's investeren fors: de Verenigde Staten en China worden gezien als de twee grootste spelers qua overheidsinvesteringen, terwijl de Europese Unie via het Quantum Flagship-programma miljarden euro's inzet op onderzoek. Nederland positioneert zich met het nationale initiatief Quantum Delta NL als een van de Europese zwaartepunten op dit gebied.