Een kwantumcomputer bouwen

Professor Leo Kouwenhoven is een prominent lid van het Microsoft Quantum Computing-team. Hij heeft de leiding over een team van onderzoekers en technici bij het Microsoft Quantum Lab in Delft. We vroegen professor Leo waarom het zo moeilijk is om een kwantumcomputer te bouwen.

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

Wat we moeten doen als we een kwantumcomputer willen bouwen, is een kwantumsysteem ontwikkelen en beheersen op basis van ons ‘klassieke’ inzicht. En dat valt niet mee. We gebruiken klassieke signalen en objecten om te proberen het kwantumgedrag in deze materialen ‘tot leven te wekken’.

Deze kwantummechanica werkt anders dan bij atomen en moleculen. Hier gebruiken we elektronische chips. En we ontwerpen en manipuleren ze op zo’n manier dat het dominante gedrag van de elektronen in die chips volgens de kwantumregels verloopt.

Kwantumcomputer in je zak

Je zou denken dat een kwantumcomputer heel klein is omdat een kwantumcircuit gebruikt maakt van kleinere deeltjes, maar dat klopt niet helemaal. Het kwantumcircuit zelf is heel klein, kleiner nog 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 die circuits omlaag brengen 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 de kwantumregels met de deeltjes in superpositie. Superpositie betekent dat ze twee verschillende posities tegelijk 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 kwantumbenadering van Microsoft

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

Een topologisch circuit dat is opgebouwd uit topologische qubits (eenheid van kwantuminformatie), werkt meer zoals Lego-stenen. Met Lego kun je de stenen makkelijker 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 het bouwen van circuits met topologische qubits. Een kaartenhuis 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 plan kunnen tillen. Deze wetenschappelijke doorbraken zijn alleen mogelijk met behulp van techniek en theorie die hand in hand gaan.

Met een stabiele topologische qubit kunnen we snel de schaal aanpassen en sommige problemen in het dagelijks 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 aan veel meer mensen en kunnen zij, net als jij, geweldige dingen doen.

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