Eerste Europese cloudquantumcomputer staat in Delft

De machinerie voor deze rekenoefeningen staat in Delft en maakt een pompend geluid, alsof iemand met haast een fietsband oppompt. Het zijn stikstof- en heliumpompen die de temperatuur van de quantumchips Spin-2 en Starmon-5 terugbrengen tot 0,02 graden boven het absolute nulpunt, zo’n -273 graden Celsius. Dat is nodig om de subtiele quantumeffecten die de chips gebruiken voor hun berekeningen niet te verstoren.

De chips zijn niet groter dan een vingernagel en lijken op een klein printplaatje uit een computer. Op die chips zitten een aantal zogenoemde qubits, de rekeneenheden van de quantumcomputer. In de quantumchip Spin-2 zijn dit in een elektrisch veld gevangen elektronen die als het ware links- óf rechtsom draaien, de Starmon-5 heeft supergeleidende elektrische circuitjes waarin een elektrisch signaal heen en weer stroomt. Door de draairichting van bijvoorbeeld de elektronen te manipuleren kan er informatie ingestopt worden, zeg een 1 of een 0. Kort door de bocht kunnen de qubits een berekening uitvoeren door informatie met elkaar uit te wisselen en hun nieuwe toestand vervolgens te laten uitlezen (zie kader De kracht van quantum).

Het is nogal een klus om stabiele en bruikbare qubits te maken op een chip, de afgelopen jaren slagen laboratoria over de hele wereld daar steeds beter in. De werkende quantumcomputers zijn nog geen rekenwonders omdat ze een beperkt aantal qubits hebben. De voorlopers op dit gebied zijn bedrijven als Google en IBM die meer dan vijftig qubits op een chip laten samenwerken, maar dat is nog lang niet genoeg om er nuttige berekeningen mee te doen. De verwachting is dat je daarvoor duizenden, zo niet miljoenen, qubits op een chip nodig hebt.

De Delftse quantumcomputers hebben respectievelijk twee en vijf qubits. Is dat niet een beetje schamel? Het opschalen van het aantal qubits is vooralsnog lastig, zegt Versluis. “Er zijn in Delft promovendi die hebben gewerkt met vier of acht werkende qubits in een experimenteler systeem”, zegt hij. “Maar wij wilden een stabiele cloudcomputer. Hij moet 24 uur per dag online zijn en altijd werken, daarom kozen we hiervoor.”

Voor de onderzoekers van TNO en QuTech is het draaiende houden van hun quantumcomputers een oefening. Er komt nogal wat ‘handwerk’ aan te pas, aldus Versluis. Elektronen moeten op de chip op de juiste plek ‘gevangen’ worden met nauwkeurig afgestelde elektrische velden. Ook moeten de elektronen ‘bestuurd’ worden. “De spin van elektronen laat zich beïnvloeden door microgolfstraling. De precieze frequentie moeten we steeds vinden”, zegt Versluis.

Het operationeel maken van de machine kan weken duren. Iedere dag zijn bovendien (automatische) kalibraties nodig omdat de chip bijvoorbeeld iets opwarmt of omdat er elektronen in het materiaal rondom de qubit verspringen. “De qubits zijn enorm gevoelig voor hun omgeving. Iedere vier uur wordt gecheckt of alles nog naar behoren werkt.”

Fantasie

In Delft wordt gewerkt aan complexere quantumrekensystemen. Er staan volgens Versluis wel dertig ‘koelkasten’ met plekken voor meerdere quantumchips. Verschillende type systemen in de race om de quantumcomputer van de toekomst te worden. De supergeleidende chips – die ook door Google en IBM worden gebruikt – lopen op dit moment voor wat betreft aantallen qubits, maar Versluis denkt dat het vanwege hun relatief grote formaat lastig wordt dit aantal uit te breiden tot duizenden of miljoenen qubits op één chip.

Zelf ziet hij een belangrijke rol weggelegd voor de spinqubits in silicium, waar Spin-2 gebruik van maakt. “Deze chips worden op dezelfde manier gemaakt als klassieke chips die prima op te schalen zijn tot veel grotere elektrische circuits. Bovendien kun je de qubits dan relatief eenvoudig koppelen met klassieke elektronica op dezelfde chip”, zegt Versluis.

Het zal nog jaren duren voordat er écht gebruik gemaakt wordt van quantumcomputers, benadrukt Versluis. “Ik moet de verwachtingen in mijn omgeving regelmatig temperen”, zegt hij. “Misschien dat de eerste voorzichtige berekeningen over pakweg vijf jaar plaatsvinden. Het aanpakken van serieuze problemen (bijvoorbeeld het vinden van kandidaatmedicijnen – red.) zal nog tien tot twintig jaar op zich laten wachten. Voor mogelijke eindgebruikers van quantumcomputers zou ik zeggen: wacht nog even af maar houd de ontwikkeling in de gaten. Ondertussen hebben we (grote) Europese techbedrijven nodig die bereid zijn te investeren in het maken van de hardware.”

De quantumcomputer klinkt als toekomstmuziek. “Het is een behoorlijke tijdspanne”, zegt Versluis. “Aan de andere kant: sommige mensen zeiden tot een aantal jaar geleden dat het helemaal niks zou worden met de quantumcomputer, dat het allemaal fantasie was. Wij laten nu zien dat het echt kan.”