Hoe wordt een quantumcomputer gebouwd

Professor Leo Kouwenhoven is een belangrijk lid van het Microsoft Quantum-team. Hij leidt een team van onderzoekers en ingenieurs bij het Microsoft Quantum Lab in Delft in Nederland. We vroegen aan professor Leo waarom het zo moeilijk is om een kwantumcomputer te bouwen.

Waarom is het zo moeilijk om een kwantumcomputer te bouwen? We hebben niet alle antwoorden op deze vraag. Maar wat we wel weten, is dat, in de wereld van atomen en moleculen, hun gedrag wordt bepaald door kwantumregels. In onze wereld – de wereld van vallende ballen en appels – gelden de klassieke regels. Wat we nog niet weten, is wat het verband is tussen deze twee regels.

Wat we moeten doen om een kwantumcomputer te bouwen, is onze klassieke kennis gebruiken om een kwantumsysteem te ontwikkelen en te beheersen. En dat is niet eenvoudig. We gebruiken klassieke signalen en objecten om te proberen het kwantumgedrag in deze materialen ‘tot leven te wekken’.

Maar het gaat hier niet om kwantummechanica zoals in atomen en moleculen. We gebruiken hier elektronische chips – en we ontwerpen en manipuleren deze zodanig dat het dominante gedrag van de elektronen in deze chips volgens de kwantumregels verloopt.

Kwantumcomputer in zakformaat

Je zou kunnen denken dat een kwantumcomputer heel klein is, omdat we kleinere deeltjes gebruiken om een kwantumcircuit te maken, maar dat klopt niet helemaal. Het kwantumcircuit zelf is heel klein – kleiner dan het oog kan waarnemen. Maar de machine die je nodig hebt om het circuit af te koelen, is gigantisch. Tenminste, in vergelijking met onze moderne computers in zakformaat.

Waarom moeten we het circuit afkoelen met zulke grote machines? We moeten de temperatuur van de circuits verminderen tot bijna het absolute nulpunt, nul graden Kelvin dus, om te zorgen dat het dominante gedrag van de chips de kwantumregels volgt.

Bij kamertemperatuur verloopt alles volgens de klassieke regels en niet volgens de kwantumregels, waar de deeltjes in superpositie staan. Dat betekent dat ze tegelijk twee verschillende posities hebben. Bij deze extreem lage temperaturen, waarvoor we metershoge koelkasten gebruiken, kunnen we kwantumeffecten opwekken.

En dat wil je echt niet in je zak steken!

De kwantumaanpak van Microsoft

Microsoft pakt kwantumcomputing op een andere manier aan. De aanpak is ‘topologisch’. Traditioneel bouw je een kwantumcircuit op dezelfde manier als een kaartenhuisje. Je probeert een grote constructie te bouwen door kaarten boven op elkaar te zetten, en het kaartenhuisje zakt in elkaar bij het minste geluid of de kleinste verstoring.

Een topologisch circuit, dat is opgebouwd uit topologische qubits, werkt meer zoals Lego-blokjes. Met Lego kun je de blokjes gemakkelijker met elkaar verbinden en grote constructies bouwen zonder de constructie te verzwakken.

Dat is het grote verschil tussen het bouwen van circuits met qubits en circuits met topologische qubits. Een kaartenhuisje wordt groter en instabieler, terwijl een Lego-constructie groter en sterker wordt.

‘Kwantum is de toekomst’

Onze samenwerking op kwantumgebied zorgt ervoor dat we ons wetenschappelijke leerproces kunnen versnellen en computing naar een hoger niveau kunnen tillen. Deze wetenschappelijke doorbraken zijn alleen mogelijk met behulp van techniek en theorie die samen hand in hand gaan.

Met een stabiele topologische qubit kunnen we snel de schaal aanpassen en sommige problemen in het dagelijkse leven oplossen met kwantumcomputing. Denk aan klimaatverandering, gezondheidsvraagstukken, financiële uitdagingen, optimalisatiepuzzels zoals verkeersopstoppingen, robotica en nog veel meer.

Als we een kwantumcomputer koppelen aan het Azure cloudplatform, kunnen we deze rekenkracht beschikbaar stellen voor veel meer mensen – waardoor zij, net als jij, geweldige dingen kunnen doen.

Wij geloven dat kwantum de toekomst is, en Microsoft wil deze revolutie mogelijk maken. En we willen dat jij daar ook deel van uitmaakt.