Europese partners gezocht om mee te bouwen aan kwantumcomputer
Intel maakte in september bekend vijftig miljoen euro te investeren in het Nederlandse kwantumkenniscentrum QuTech. Microsoft zette al eerder de stap om de komende tien tot vijftien jaar mee te ontwikkelen en te bouwen aan de razendsnelle kwantumcomputer. Nederlandse commerciële semiconbedrijven zijn nog niet aan boord, terwijl er redenen genoeg zijn om nu al in te stappen.
Met kwantummechanica gebouwde chips zijn per definitie sneller. Waarom dat zo is, is in wiskundige formules uitstekend aan te tonen. Maar het in woorden uitleggen is eigenlijk geen doen, vertelt Rogier Verberk, projectmanager en roadmap leader van QuTech, het kwantum-kennisinstituut van TNO en de TU Delft. Want om die kwantumchips te bouwen, wordt gebruik gemaakt van twee eigenschappen van de kwantummechanica die een buitenstaander zich maar moeilijk kan voorstellen.
Eenvoudiger
De eerste eigenschap heet ‘superpositie’, waarbij heel kleine deeltjes, zoals elektronen of fotonen, tegelijkertijd zowel links als rechts om hun as kunnen draaien. Bij de huidige stand van de kwantumtechnologie zijn ook kunstmatige systeempjes in superpositie te brengen. ‘Qubits’ (quantum bits) worden die genoemd. Gebruik je zo’n deeltje als een schakeling, dan kan die dankzij die superpositie twee waardes tegelijk aannemen: 0 én 1. Bij een gewone schakeling is dat één waarde: 0 óf 1. Door dit principe is een qubit twee keer zo snel als een bit.
‘Kwantumcomputers gaan antwoorden geven op vraagstukken die nu nog niet opgelost kunnen worden’
De tweede eigenschap is ‘verstrengeling’ – ook bekend als entanglement – van meerdere van die deeltjes, zodanig dat je hun waarde ‘niet afzonderlijk kunt beschrijven’, aldus 
Verberk. Dat betekent dat twee verstrengelde qubits tegelijk de waarden 0 en 0, 1 en 1, 0 en 1, en 1 en 0 kunnen afgeven. Drie verstrengelde qubits representeren dus acht verschillende waarden, vier nemen tegelijk zestien posities in, vijf 32, et cetera. ‘Om een gewone chip twee keer zo snel te maken, moet je er twee keer zoveel bits in stoppen. Bij een kwantumchip kan volstaan worden met één extra qubit. Het volgen van de Wet van Moore (verdubbeling van de capaciteit van chips elke 18-24 maanden, red.) wordt dan een stuk eenvoudiger.’
Opschalingsproblemen
Theoretisch zijn kwantumchips dus superieur aan de gangbare, digitale soortgenoten. In het praktisch toepassen verkeren ze echter nog in het stadium waarin de digitale chips zeg vijftig jaar geleden verkeerden. Oorzaak: grootschalige productie van betrouwbare kwantumchips is nog ver weg. Een van de redenen is dat een kwantumchip alleen werkt als supergeleidende materialen worden toegepast bij temperaturen lager dan 1 Kelvin (–272 ºC). Dat vergt nog wel tien tot vijftien jaar, schat Verberk in. En hij kan het weten, want productieopschaling is het werkterrein van QuTech. Juist in die knowhow zijn twee grote, Amerikaanse multinationals bijzonder geïnteresseerd. Microsoft investeerde een poos geleden mensen en middelen in het onderzoek van het Delftse instituut. En begin september werd bekend dat ook chipproducent en serverbouwer Intel de komende tien jaar geld (vijftig miljoen dollar) plus kennis en technische ondersteuning in QuTech gaat steken.
Partnership
Verberk: ‘Deze twee bedrijven zijn bereid te investeren in een technologie die nog ver van marktintroductie is. Microsoft legt zich de komende jaren toen op ontwikkeling van applicaties voor de kwantumchip en die moeten er genoeg zijn.
‘Wij hebben met Intel en Microsoft geen exclusieve samenwerking en we zoeken nog een stevige partner’, vertelt Rogier Verberk, projectmanager en roadmap leader van QuTech.
Kwantumchips zijn namelijk niet alleen snel, maar door hun manier van rekenen ook bij uitstek geschikt om grote databases te doorzoeken of encrypties te kraken. Een toepassing kan liggen in medisch onderzoek, door met kwantumcomputers het effect van medicijnen op bepaalde ziekteprocessen te simuleren. Dat scheelt veel tijd en duur klinisch onderzoek. En Intel weet natuurlijk heel veel af van grootschalige chipproductie.’ Volgens die chipbouwer gaan kwantumcomputers antwoorden geven op vraagstukken die nu nog niet opgelost kunnen worden. ‘Maar deze geavanceerde computers kunnen alleen worden gerealiseerd in partnership, zoals deze met QuTech, waarin state-of-the-art kennis van elektronica wordt gecombineerd met hoogwaardige natuurkundige expertise’, aldus Mike Mayberry, vice president van Intel en managing director van Intel Labs.
Nog niet ingestapt
Zoals het er nu naar uitziet, zijn de eerste kwantumcomputers grote apparaten die, vanwege de voor supergeleiding benodigde koeling, veel stroom vergen en die een rekenkracht hebben die uitsluitend interessant is voor grote instellingen en bedrijven. Met de kanttekening dat dat in de jaren 1960 ook alom als het voorland van de digitale computer gezien werd. Wat deels verklaart waarom Nederlandse semiconbedrijven als ASMI en ASML nog niet zijn ingestapt. Verberk: ‘Kwantumchips zullen niet geproduceerd hoeven te worden in grote series voor de consumentenelektronica, waarvoor ASML en ASMI nu hun chipproductie- respectievelijk waferbewerkingsmachines bouwen. Hun markt wordt gestuurd door mobiele applicaties. Verder hebben de structuren van de eerste kwantumchips een formaat dat makkelijk met de vorige generatie waferstepper kan worden geproduceerd. Daar heb je nog lang geen euv-lijn voor nodig. Om die redenen is het voor die bedrijven nog allemaal heel ver weg.’
Maar er zijn ook redenen om juist wel nu al in te stappen. ‘Wetenschappelijk Europa heeft een vooraanstaande positie in de kwantummechanica. Het zou goed zijn als zich dat ook commercieel vertaalt. Wij hebben met Intel en Microsoft geen exclusieve samenwerking en we zoeken nog een stevige partner op het gebied van de materiaalkunde. ASMI of imec, met zijn kennis van het opdampen van atoomdunne lagen, zouden zeker goed passen. Als op een gegeven moment die kwantumcomputer gebouwd moet gaan worden, zal dat een zeer complexe machine zijn. Een ASML en ook een Philips Healthcare zijn bij uitstek in staat complexe apparaten te bouwen.’
Concurrentie
QuTech heeft met de steun van de twee Amerikaanse concerns en in Nederland van TU Delft, TNO en de universiteiten van Eindhoven en Leiden (en financiële bijdragen van EZ, NWO, TKI HTSM en ERC) alles bij elkaar enkele honderden wetenschappers en engineers op die opschalingsproblematiek zitten. Die slagkracht is nodig, want de concurrentie zit niet stil. In de VS steekt Google, dat onlangs een complete vakgroep van de University of California, Santa Barbara overnam, er veel geld en mankracht in. En ook IBM en de spionageorganisatie NSA werken eraan. Voor NSA zijn kwantumcomputers bij uitstek interessant om snel enorme databases te kunnen doorzoeken en decrypten. ‘En nóg een eigenschap maakt deze technologie zo interessant: de kwantumdatastroom valt niet af te luisteren zonder dat de eigenaar het merkt. De verstrengelde qubits zijn zo kwetsbaar dat aftappen direct opvalt. Dus is dit ook voor KPN interessante technologie’, geeft Rogier Verberk nog een schot voor de boeg.
Lees verder in de editie van Link 5 2015
