Skip to content
Home » De Nobelprijs voor natuurkunde 2022 toont de belofte van kwantumcomputers

De Nobelprijs voor natuurkunde 2022 toont de belofte van kwantumcomputers

    De Nobelprijs voor natuurkunde 2022 toont de belofte van kwantumcomputers

    Quantum computing is een van die technologieën van de toekomst – zoals kernfusie-energie of zelfrijdende auto’s – die net zo potentieel transformatief lijkt als het voortdurend net buiten bereik is. Als onderzoekers in staat zijn kwantummachines te ontwikkelen die stabiel en betrouwbaar zijn, zou dit het computertempo een boost kunnen geven, dat is vertraagd als de wet van Moore – de lang nauwkeurige voorspelling van Intel-medeoprichter Gordon Moore dat computerchips sneller zouden worden en goedkoper – lijkt ten einde te lopen. Maar de weg naar een praktische kwantumcomputer is lang en moeilijk geweest en combineert enkele van de moeilijkste problemen in de kwantumwetenschap met de moeilijkste problemen in computerhardware.

    Hoe lang de weg naar quantum computing is geweest – en hoe belangrijk het zal zijn om de bestemming te bereiken – werd dinsdagochtend opnieuw duidelijk toen de Nobelprijs voor natuurkunde voor 2022 werd toegekend aan drie onderzoekers wiens werk “de basis had gelegd voor een nieuw tijdperk van kwantumtechnologie”, zoals het Nobelcomité voor Natuurkunde het uitdrukte.

    John F. Clauser, een Amerikaan, toonde in 1972 aan dat fotonparen verstrengeld waren, wat onderstreepte dat de deeltjes zich als een enkele eenheid gedragen, zelfs als ze over grote afstanden van elkaar gescheiden zijn. Alain Aspect van de Universiteit van Parijs zette dat werk tien jaar later voort, en in 1998 onderzocht de Oostenrijkse natuurkundige Anton Zeilinger de verstrengeling van drie of meer deeltjes. Samen, zoals het Nobelcomité het uitdrukte, maakten ze de weg vrij voor ‘nieuwe technologie gebaseerd op kwantuminformatie’.

    Maar voor een echte, werkbare kwantumcomputer is veel meer nodig dan theorie, zoals ik eerder dit jaar heb geleerd tijdens een bezoek aan de kleine gemeenschap in Westchester County in Yorktown Heights. Daar, te midden van de glooiende heuvels en oude boerderijen, bevindt zich het Thomas J. Watson Research Center, het door Eero Saarinen ontworpen hoofdkwartier uit de Jet Age-tijdperk uit de jaren 60 van IBM Research.

    Diep in dat gebouw, door eindeloze gangen en veiligheidspoorten bewaakt door irisscanners, werken de wetenschappers van het bedrijf hard aan de ontwikkeling van wat IBM-onderzoeksdirecteur Dario Gil me vertelde dat “de volgende tak van informatica” is: kwantumcomputers.

    Ik was in het Watson Center om een ​​voorbeeld te bekijken van IBM’s bijgewerkte technische routekaart voor het bereiken van grootschalige, praktische kwantumcomputers. Dit omvatte veel gepraat over “qubit-telling”, “kwantumcoherentie”, “foutbeperking”, “software-orkestratie” en andere onderwerpen die je nodig hebt om een ​​elektrotechnisch ingenieur te zijn met een achtergrond in informatica en bekendheid met kwantum. mechanica volledig te volgen.

    Ik ben niet een van die dingen, maar ik heb de kwantumcomputerruimte lang genoeg in de gaten gehouden om te weten dat het werk dat hier wordt gedaan door IBM-onderzoekers – samen met hun concurrenten bij bedrijven als Google en Microsoft, samen met talloze startups over de hele wereld – stand houdt om de volgende grote sprong voorwaarts te maken in de informatica. Wat, aangezien computergebruik een “horizontale technologie is die alles raakt”, zoals Gil me vertelde, grote gevolgen zal hebben voor de vooruitgang in alles, van cyberbeveiliging tot kunstmatige intelligentie tot het ontwerpen van betere batterijen.

    Op voorwaarde natuurlijk dat ze deze dingen echt kunnen laten werken.

    Het kwantumrijk betreden

    De beste manier om een ​​kwantumcomputer te begrijpen – in plaats van een paar jaar opzij te zetten voor een grad school aan MIT of Caltech – is door hem te vergelijken met het soort machine waarop ik dit stuk typ op: een klassieke computer.

    Mijn MacBook Air draait op een M1-chip, die vol zit met 16 miljard transistors. Elk van die transistors kan in één keer ofwel de “1” of “0” van binaire informatie vertegenwoordigen – een beetje. Het enorme aantal transistors is wat de machine zijn rekenkracht geeft.

    Zestien miljard transistors verpakt op een oppervlakte van 120,5 vierkante meter. mm-chip is veel — TRADIC, de eerste computer met transistors, had er minder dan 800. Het vermogen van de halfgeleiderindustrie om steeds meer transistors op een chip te bouwen, een trendvoorspelling door Intel-medeoprichter Gordon Moore in de wet die zijn naam draagt, is wat de exponentiële groei van rekenkracht mogelijk heeft gemaakt, wat op zijn beurt vrijwel al het andere mogelijk heeft gemaakt.

    De buitenkant van een IBM System One-kwantumcomputer, zoals te zien in het Thomas J. Watson Research Center.
    Bryan Walsh/Vox

    Maar er zijn dingen die klassieke computers niet kunnen en die ze nooit zullen kunnen, hoeveel transistors er ook op een vierkant silicium worden gepropt in een Taiwanese halfgeleiderfabriek (of ‘fab’ in industrieel jargon). En dat is waar de unieke en eerlijk gezegd rare eigenschappen van kwantumcomputers binnenkomen.

    In plaats van bits verwerken kwantumcomputers informatie met behulp van qubits, die tegelijkertijd “0” en “1” kunnen vertegenwoordigen. Hoe doen ze dat? Je stelt mijn niveau van expertise hier onder druk, maar in wezen maken qubits gebruik van het kwantummechanische fenomeen dat bekend staat als ‘superpositie’, waarbij de eigenschappen van sommige subatomaire deeltjes niet worden gedefinieerd totdat ze zijn gemeten. Denk aan de kat van Schrödinger, tegelijkertijd dood en levend totdat je de doos opent.

    Een enkele qubit is schattig, maar het wordt pas echt spannend als je meer begint toe te voegen. Klassieke rekenkracht neemt lineair toe met de toevoeging van elke transistor, maar de kracht van een kwantumcomputer neemt exponentieel toe met de toevoeging van elke nieuwe betrouwbare qubit. Dat komt door een andere kwantummechanische eigenschap die ‘verstrengeling’ wordt genoemd, waarbij de individuele kansen van elke qubit kunnen worden beïnvloed door de andere qubits in het systeem.

    Dit alles betekent dat de bovengrens van het vermogen van een werkbare kwantumcomputer veel groter is dan wat mogelijk zou zijn in klassiek computergebruik.

    Dus kwantumcomputers zouden in theorie problemen kunnen oplossen die een klassieke computer, hoe krachtig ook, nooit zou kunnen. Wat voor problemen? Hoe zit het met de fundamentele aard van de materiële realiteit, die uiteindelijk draait op kwantummechanica, niet op klassieke mechanica? (Sorry, Newton.) “Kwantumcomputers simuleren problemen die we in de natuur en in de scheikunde tegenkomen”, zegt Jay Gambetta, IBM’s vice-president quantum computing.

    Kwantumcomputers zouden de eigenschappen van een theoretische batterij kunnen simuleren om er een te helpen ontwerpen die veel efficiënter en krachtiger is dan de huidige versies. Ze kunnen complexe logistieke problemen ontwarren, optimale leveringsroutes ontdekken of voorspellingen voor klimaatwetenschap verbeteren.

    Op het gebied van beveiliging kunnen kwantumcomputers cryptografiemethoden doorbreken, waardoor mogelijk alles, van e-mails tot financiële gegevens tot nationale geheimen, onveilig wordt. Die zorgen hielpen het Witte Huis eerder deze maand prompt om een ​​nieuw memorandum uit te brengen om het nationale leiderschap in kwantumcomputing te ontwerpen en het land voor te bereiden op kwantumondersteunde cyberbeveiligingsbedreigingen.

    Afgezien van de veiligheidsproblemen, kunnen de potentiële financiële voordelen aanzienlijk zijn. Bedrijven bieden al vroege quantum computing-diensten via de cloud aan voor klanten als Exxon Mobil en de Spaanse bank BBVA. Hoewel de wereldwijde markt voor kwantumcomputers in 2020 minder dan $ 500 miljoen waard was, verwacht International Data Corporation dat deze tegen 2027 $ 8,6 miljard aan inkomsten zal bereiken, met meer dan $ 16 miljard aan investeringen.

    Maar dat alles zal niet mogelijk zijn tenzij onderzoekers het harde technische werk kunnen doen om een ​​kwantumcomputer van wat nog grotendeels een wetenschappelijk experiment is, om te vormen tot een betrouwbare industrie.

    De koude kamer

    In het Watson-gebouw opende Jerry Chow – die het experimentele kwantumcomputercentrum van IBM leidt – een glazen kubus van 3 meter hoog om me iets te laten zien dat eruitzag als een kroonluchter gemaakt van goud: IBM’s Quantum System One. Een groot deel van de kroonluchter is in wezen een hightech koelkast, met spoelen die superfluïde bevatten die de hardware kan koelen tot 100e graad Celsius boven het absolute nulpunt – kouder, vertelde Chow me, dan de ruimte.

    Koeling is de sleutel om de kwantumcomputers van IBM te laten werken, en het laat ook zien waarom dit zo’n technische uitdaging is. Hoewel kwantumcomputers potentieel veel krachtiger zijn dan hun klassieke tegenhangers, zijn ze ook veel, veel kieskeuriger.

    Weet je nog wat ik zei over de kwantumeigenschappen van superpositie en verstrengeling? Hoewel qubits dingen kunnen doen waarvan een klein beetje nooit zou kunnen dromen, kan de geringste variatie in temperatuur, geluid of straling ervoor zorgen dat ze die eigenschappen verliezen door iets dat decoherentie wordt genoemd.

    Die fraaie koeling is ontworpen om te voorkomen dat de qubits van het systeem decoheren voordat de computer zijn berekeningen heeft voltooid. De allereerste supergeleidende qubits verloren hun coherentie in minder dan een nanoseconde, terwijl de meest geavanceerde kwantumcomputers van IBM vandaag de dag hun coherentie kunnen behouden tot wel 400 microseconden. (Elke seconde bevat 1 miljoen microseconden.)

    De uitdaging waarmee IBM en andere bedrijven worden geconfronteerd, is het ontwerpen van kwantumcomputers die minder foutgevoelig zijn, terwijl “de systemen worden geschaald van meer dan duizenden of zelfs tienduizenden qubits tot misschien wel miljoenen”, zei Chow.

    Dat kan nog jaren duren. Vorig jaar introduceerde IBM de Eagle, een 127-qubit-processor, en in zijn nieuwe technische roadmap streeft het ernaar om later dit jaar een 433-qubit-processor, de Osprey genaamd, en een meer dan 4.000 qubit-computer te onthullen tegen 2025. Tegen die tijd zou kwantumcomputing voorbij de experimenteerfase kunnen komen, vertelde IBM-CEO Arvind Krishna eerder deze maand aan verslaggevers tijdens een persevenement.

    Veel experts zijn sceptisch dat IBM of een van zijn concurrenten daar ooit zal komen, waardoor de mogelijkheid wordt geopperd dat de technische problemen van kwantumcomputers gewoon te moeilijk zijn om de systemen ooit echt betrouwbaar te maken. “Wat er de afgelopen tien jaar is gebeurd, is dat er een enorm aantal beweringen is gedaan over de meer directe dingen die je kunt doen met een kwantumcomputer, zoals het oplossen van al deze machine learning-problemen”, zegt Scott Aaronson, een expert op het gebied van kwantumcomputers aan de Universiteit van Texas, vertelde me vorig jaar. “Maar deze beweringen zijn voor ongeveer 90 procent onzin.” Om die belofte waar te maken: “Je hebt een revolutionaire ontwikkeling nodig.”

    In een steeds digitaler wordende wereld zal verdere vooruitgang afhangen van ons vermogen om steeds meer uit de computers die we maken te halen. En dat zal afhangen van het werk van onderzoekers als Chow en zijn collega’s, die zwoegen in raamloze laboratoria om een ​​revolutionaire nieuwe ontwikkeling te realiseren rond enkele van de moeilijkste problemen in computertechnologie – en gaandeweg proberen ze de toekomst op te bouwen.

    Een versie van dit verhaal werd in eerste instantie gepubliceerd in de Future Perfect nieuwsbrief. Schrijf je hier in om abonneren!

    Update, 4 oktober, 16.00 uur ET: Dit verhaal is oorspronkelijk gepubliceerd op 24 mei en is bijgewerkt om aan te geven dat Clauser, Aspect en Zeilinger in 2022 de Nobelprijs voor natuurkunde hebben gekregen.