Het is een megagrote stap naar de gedroomde snelle quantumcomputer die foutloos werkt. Geef Willow een rekenkundige taak en de chip lost in vijf minuten op waar de op één na snelste ‘normale’ supercomputer vele miljarden jaren (10 septiljoen jaar om precies te zijn) over doet. Claimt Google tenminste.
Wat is de Willow?
Een quantumcomputer werkt totaal anders dan de chips die vandaag in gebruik zijn en kan bepaalde taken veel sneller verrichten. Google heeft na twaalf jaar en miljarden aan R&D een versie ontwikkeld in zijn lab in Santa Barbara, waarover het in het wetenschappelijke tijdschrift Nature publiceert.
Net als andere quantumcomputers is hij opgebouwd uit quantum bits ofwel qubits, de ‘bouwblokken’ die de berekeningen uitvoeren. Een qubit kan niet alleen 0 of 1 zijn, maar ook beide tegelijk – bijvoorbeeld 30 procent 0 en 70 procent 1. Moeilijk voorstelbaar, maar het is wel de magie die complexe berekeningen mogelijk maakt.
Qubits zijn op verschillende manieren te maken. Het verst gevorderd zijn op dit moment de zogeheten supergeleidende qubits. Die bestaan uit een materiaal dat bij extreem lage temperaturen stroom geleidt zonder weerstand. Ook Google gebruikt deze technologie voor Willow.
Wat maakt Willow bijzonder?
Zijn snelheid en zeker ook de foutcorrectie. Qubits zijn nogal instabiel, ze doen meestal onder extreem lage temperaturen tientallen microseconden hun werk en sturen daarbij ook regelmatig foute informatie terug. Foutcorrectie is onmisbaar om een goed werkende quantumcomputer te bouwen.
En daarin schuilt de doorbraak die Google claimt: hoewel het met 105 qubits niet de grootste quantumcomputer bouwde, is die dankzij de foutcorrectie wel superkrachtig. De foutcorrectie in Willow wordt zelfs ‘exponentieel’ beter naarmate het aantal qubits wordt opgeschaald, beweert Google. Dat terwijl tot nu toe gold: hoe meer qubits, hoe meer storingen en rekenfouten passeren.
Google draait dat dus om. In zijn experimenten groepeerde het telkens meer qubits, waarbij het aantal errors telkens met ruim een factor twee terugliep. De foutcorrectie gebeurt bovendien realtime, iets wat weinig andere techneuten nog is gelukt.
Hoe knap is dat?
Niels Bultink, oprichter en ceo van de Nederlandse quantum-scaleup Qblox: ‘Sommige headlines zetten het een beetje sterk aan, maar het is een flinke nieuwe stap voorwaarts voor Google en het hele veld. Dit is zeker de talk of the town in onze wereld.’
Er zijn overigens ook andere typen qubits met elk hun eigen karakter en dus meer methoden om foutcorrectie toe te passen, tekent Bultink aan. Zijn Qblox levert elektronica die dat mogelijk maakt. ‘Wij kunnen dingen die in dit Google-experiment niet zijn gedaan en corrigeren ook realtime, dus in enkele microseconden, fouten.’
Hebben we daar in de praktijk iets aan?
Niet morgen al. ‘Maar het is een fantastisch resultaat, omdat het in de praktijk laat zien dat een quantumcomputer exponentieel kan schalen’, zegt Matthijs Rijlaarsdam, oprichter van QuantWare. ‘Het artikel is trouwens al een paar maanden oud, grappig om te zien dat het deze week ineens zoveel aandacht krijgt.’
Zijn bedrijf is klaar voor dat opschalen: ‘Onze VIO chip-architectuur maakt het mogelijk om heel veel qubits in een computer te stoppen. Dat Google nu in de praktijk laat zien dat je met een kleine sprong in het aantal qubits al zo’n enorme sprong in rekenkracht kunt maken, is perfect voor ons.’
De Willow presteert namelijk een stuk beter dan Google’s vorige chip, de Sycamore met 54 qubits uit 2019. Die deed 200 seconden over een benchmarkberekening waar een supercomputer 10.000 jaar over zou doen. Concurrenten als IBM en Honeywell meten de prestaties van hun quantumcomputers overigens op een heel andere manier, wat ze moeilijk vergelijkbaar maakt.
De benchmark-som waar de Willow zo goed in is, heeft weinig praktisch nut. Het zal sowieso nog wel vele jaren duren voordat Google of zijn concurrenten een quantumchip klaar hebben voor commerciële toepassingen. Google zelf geeft geen tijdspad daarvoor.
Over het algemeen gaan quantumexperts ervan uit dat over vijf jaar de eerste quantumcomputers op de markt kunnen komen die de benchmarktest halen. ‘Dat maakt ze nog niet breed inzetbaar, maar wel geschikt voor het rekenen aan moleculen of machine learning’, zegt Bultink. ‘Maar de meeste economische waarde van quantum computing ligt in versies die veel groter en veel betrouwbaarder zijn.’
Dat gedroomde fault tolerant computing waarin Google nu een stap maakt, is de quantumcomputer die wél berekeningen uitvoert waar we in de echte wereld iets aan hebben. Google toont een roadmap waarin de volgende mijlpalen worden bereikt op weg naar computers met een miljoen qubits, maar verbindt er geen tijdlijn aan. ‘De meest ambitieuze roadmaps gaan uit van tien jaar’, zegt Bultink. Dat is ook waar de Amerikaanse investeerders en overheid op inzetten.
Wat maakt de quantumcomputer straks mogelijk?
De belofte is dat met de brute rekenkracht van quantumchips straks doorbraken mogelijk worden in de ontwikkeling van pakweg medicijnen, superbatterijen of bruikbare kernfusie, om maar wat maatschappelijke nuttige uitdagingen te noemen. Ook AI, de rekenkracht en energie vretende kunstmatige intelligentie, zou gebaat zijn bij de nieuwe chips. Dat is de glanzende zijde van de techmedaille.
Daar staat tegenover dat de technologie ook disruptief is. Alles wat met cryptografie te maken heeft, de technische versleuteling die netwerken en pakweg je bankzaken beveiligt, kan in één klap waardeloos worden doordat het niet bestand is tegen quantumberekeningen. Zelf een ijzersterk wachtwoord is dan weerloos.
Lees ook: ‘Quantumcomputers kunnen het vertrouwen in finance ondermijnen’
Kan de bitcoin straks inpakken?
Wie crypto zegt, zegt bitcoin, de virtuele valuta die zwaar leunt op encryptie. Is Google’s Willow inderdaad een gevaar voor cryptovaluta’s die hun schaarste juist ontlenen aan de rekenkracht die nodig is om nieuwe munten te minen? In theorie is het goed mogelijk dat de eerste partij die beschikt over een werkende quantumcomputer de encryptie van bitcoin in een oogwenk kan kraken.
Over die mogelijkheid verschillen de meningen. Van ‘bitcoin is dead‘ tot ‘vergeet het maar, Willow is lang niet krachtig genoeg’. Dat beweert onder meer techondernemer Kevin Rose. Om bitcoin binnen 24 uur te kraken is volgens hem een quantumcomputer met 13 miljoen qubits nodig, vergeleken met de 105 van Google.
Nederland was toch ook best knap in quantum?
Reken maar! Nederlandse quantum-startups als Qblox, QuantWare en Orange Quantum lopen voorop als toeleveranciers in een bloeiend ecosysteem dat zijn basis vindt in de universiteiten van Delft, Enschede en Wageningen. Delftse natuurkundigen als Ronald Hanson, Leonardo DiCarlo en Leo Kouwenhoven, en een generatie eerder Hans Mooij, hebben hun vakgebied de afgelopen decennia flink vooruitgeholpen.
In QuTech, het onderzoekscentrum waarin TU Delft en TNO vanaf 2013 samenwerken, wordt as we speak baanbrekend onderzoek gedaan, wat de afgelopen jaren regelmatig leidde tot verse spin-outs. Op het Amsterdamse Science Park zal binnenkort aan de eerste quantumcomputer van ons land worden gebouwd, die komt te staan naast de nationale supercomputer Snellius.
Lees ook: Quantum bloeit in Nederland, maar waar blijft de ASML van quantum computing?
