Superpositie: waarom een quantumbit tegelijk 0 en 1 kan zijn
Stel je een muntstuk voor dat nog in de lucht draait. Zolang het draait, is het niet kop en ook niet munt: het is in zekere zin allebei tegelijk, met een bepaalde kans op elke uitkomst. Pas op het moment dat het muntstuk landt en je ernaar kijkt, valt de uitkomst vast op één van de twee opties. Superpositie in de natuurkunde werkt op een vergelijkbare, maar veel fundamentelere manier: een deeltje of quantumsysteem kan zich in meerdere toestanden tegelijk bevinden totdat er een meting plaatsvindt.
In de wereld van computers vertaalt dit zich naar de quantumbit, of qubit. Een gewone bit in je laptop is altijd 0 of 1. Een qubit kan door superpositie tegelijkertijd een beetje 0 en een beetje 1 zijn, met verschillende gewichten voor elke mogelijkheid. Dat klinkt vreemd, en dat is het ook: superpositie is een van de eigenschappen van de quantummechanica die haaks staat op onze dagelijkse intuïtie, maar die in laboratoria wereldwijd talloze keren is bevestigd.
Wat is het precies?
In de klassieke natuurkunde heeft een object op elk moment één bepaalde toestand: een bal ligt links óf rechts, een schakelaar staat aan óf uit. In de quantummechanica wordt de toestand van een deeltje beschreven met een zogeheten golffunctie, een wiskundig object dat de kansen weergeeft op verschillende uitkomsten. Zolang niemand een meting doet, kan die golffunctie een combinatie zijn van meerdere mogelijke toestanden tegelijk. Dat is superpositie.
Belangrijk is dat dit geen onwetendheid is over een toestand die er in werkelijkheid al wel is, zoals bij het muntstuk. Bij het muntstuk ligt de uitkomst in principe al vast, we weten het alleen nog niet. Bij een quantumsysteem is de superpositie zelf de fysieke werkelijkheid: er bestaat pas een concrete uitkomst op het moment van meten. Dit volgt uit experimenten zoals het dubbelspletenexperiment, waarbij individuele deeltjes een interferentiepatroon vormen dat alleen te verklaren is als het deeltje als het ware door beide spleten tegelijk gaat.
Op het moment dat je een meting doet, 'kiest' het systeem een van de mogelijke uitkomsten, met een kans die samenhangt met de sterkte van elke component in de superpositie. Dit heet het instorten of de collaps van de golffunctie. Na de meting is de superpositie verdwenen en heeft het systeem een vaste waarde, net als bij het muntstuk na het landen.
Voor quantumcomputers is dit bruikbaar omdat je met meerdere qubits in superpositie tegelijkertijd een enorm aantal combinaties van 0'en en 1'en kunt representeren. Twee qubits in volledige superpositie coderen als het ware vier combinaties tegelijk (00, 01, 10, 11), drie qubits acht combinaties, enzovoort. Dit groeit exponentieel met het aantal qubits. Gecombineerd met een tweede quantumeigenschap, verstrengeling (waarbij de toestanden van qubits onderling afhankelijk worden), kunnen quantumalgoritmes gebruikmaken van interferentie om de kans op foute antwoorden te verkleinen en die op het juiste antwoord te vergroten.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van superpositie, benut in een quantumcomputer, is rekenkracht voor specifieke soorten problemen die met klassieke computers onhaalbaar traag zouden zijn. Het gaat niet om alle berekeningen sneller maken, maar om een beperkte klasse problemen waarvoor quantumalgoritmes een aantoonbaar voordeel bieden.
Voorbeelden van beoogde toepassingen zijn het simuleren van moleculen en materialen voor de ontwikkeling van medicijnen, batterijen of katalysatoren, het oplossen van bepaalde optimalisatieproblemen in logistiek en financiën, en het kraken of juist beveiligen van cryptografische systemen. Vooral de simulatie van quantumsystemen zelf, zoals moleculen, wordt gezien als een natuurlijke toepassing: je gebruikt een quantumcomputer om een ander quantumsysteem na te bootsen, iets waar klassieke computers snel op vastlopen door het exponentieel groeiende aantal mogelijke toestanden.
Daarnaast speelt superpositie een rol in quantumsensoren en quantumcommunicatie, waarbij de gevoeligheid van quantumtoestanden voor verstoringen juist wordt benut om extreem nauwkeurige metingen te doen of afluisterpogingen te detecteren.
Voorbeelden uit de praktijk
Google kondigde in 2019 met zijn Sycamore-processor van 53 qubits aan een berekening te hebben uitgevoerd die volgens de onderzoekers onhaalbaar zou zijn voor de snelste klassieke supercomputers, een claim die bekend werd als 'quantum supremacy'. Deze claim werd later deels genuanceerd doordat klassieke algoritmes verbeterden, wat illustreert hoe voorzichtig dit soort claims moet worden geïnterpreteerd.
In China demonstreerde een team van de University of Science and Technology of China in 2020 met de fotonische processor Jiuzhang een vergelijkbare demonstratie, gebaseerd op licht in plaats van supergeleidende circuits.
IBM bouwt sinds enkele jaren steeds grotere supergeleidende quantumchips, met onder meer de Eagle-processor (127 qubits, 2021) en Condor (over de 1000 qubits, 2023), en biedt via de cloud toegang tot quantumhardware voor onderzoekers en bedrijven.
Het Amerikaans-Britse bedrijf Quantinuum (ontstaan uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum) en het bedrijf IonQ werken met qubits gemaakt van gevangen ionen, een andere hardware-aanpak die in 2023 en 2024 vooruitgang liet zien op het gebied van rekennauwkeurigheid.
In Nederland werkt QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, aan supergeleidende qubits en aan een quantuminternet, waarbij verstrengeling en superpositie worden gebruikt om quantuminformatie over afstand uit te wisselen; in 2022 demonstreerde QuTech een driehoeksnetwerk van drie verstrengelde quantumknooppunten.
Hoe ver is de techniek?
De huidige generatie quantumcomputers wordt vaak aangeduid als NISQ: Noisy Intermediate-Scale Quantum. Dat betekent dat de systemen tientallen tot enkele duizenden qubits hebben, maar dat deze qubits foutgevoelig zijn en hun superpositie snel verliezen door verstoringen uit de omgeving, een proces dat decoherentie heet. Hoe langer en complexer een berekening, hoe groter de kans op fouten.
Om hier structureel iets aan te doen, is quantumforutcorrectie nodig: het combineren van veel fysieke, foutgevoelige qubits tot één stabielere 'logische' qubit. Dit vergt aanzienlijk meer hardware dan nu beschikbaar is. Google rapporteerde eind 2023 en in 2024 een belangrijke mijlpaal, waarbij het opschalen van foutcorrigerende qubits daadwerkelijk tot minder fouten leidde in plaats van meer, een drempel die lang als cruciaal gold maar nog niet als opgelost mag worden beschouwd voor grootschalige toepassingen.
Er bestaat geen wetenschappelijke consensus over wanneer quantumcomputers algemeen bruikbaar zullen zijn voor praktische, commercieel relevante problemen buiten gespecialiseerde onderzoekscontexten. Schattingen van bedrijven en onderzoekers lopen uiteen van enkele jaren tot enkele decennia, afhankelijk van het type toepassing en de gekozen hardware-technologie. Voorzichtigheid is hier op zijn plaats: eerdere voorspellingen in dit veld zijn vaker te optimistisch dan te pessimistisch gebleken.
Wie werken eraan?
Grote techbedrijven met eigen quantumhardware-programma's zijn onder meer Google (Quantum AI), IBM, Microsoft (dat vooral inzet op een nog experimentele topologische qubit) en Amazon (met zijn Braket-platform voor toegang tot verschillende quantumsystemen). Gespecialiseerde quantumbedrijven zijn onder meer IonQ, Quantinuum, Rigetti Computing en het Canadese D-Wave, dat zich richt op een andere aanpak genaamd quantumannealing.
In China voert de University of Science and Technology of China (USTC) onderzoek uit met staatssteun, en het land investeert fors in quantumtechnologie als strategisch onderzoeksgebied. In Europa coördineert het Quantum Flagship-programma van de Europese Unie onderzoek en ontwikkeling, met QuTech (TU Delft/TNO) als een van de vooraanstaande Nederlandse onderzoeksinstituten. In de Verenigde Staten stimuleert de National Quantum Initiative Act sinds 2018 gecoördineerd onderzoek via onder meer nationale laboratoria en universiteiten.