De quantum computing-divisie van Google heeft gemeld dat de Willow-processor een computationele mijlpaal heeft bereikt waarvoor klassieke supercomputers ongeveer 10.000 jaar nodig zouden hebben om te repliceren: de taak werd in minder dan vier minuten voltooid. Het resultaat, gepubliceerd inNatuur, vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang na de demonstratie van kwantumsuprematie van Google uit 2019 en, nog belangrijker, demonstreert een eigenschap waar onderzoekers al twintig jaar naar streven: foutcorrectie die verbetert naarmate het systeem schaalt.

De aankondiging kreeg het gewicht van echte wetenschappelijke betekenis. In tegenstelling tot het resultaat van 2019 – dat onmiddellijk werd betwist door IBM, die beweerde dat hun klassieke supercomputers hetzelfde probleem in enkele dagen zouden kunnen oplossen – is het resultaat van Willow onafhankelijk onderzocht en is de suprematiemarge ordes van grootte groter. De reactie van de wetenschappelijke gemeenschap was deze keer opmerkelijk minder sceptisch.

Wat feitelijk is opgelost

Het specifieke probleem – een variant van willekeurige circuitsampling – is op zichzelf niet direct bruikbaar. Het gaat om het nemen van monsters uit de uitgangsverdeling van een willekeurig kwantumcircuit, een taak die rekenkundig moeilijk is voor klassieke computers, maar natuurlijk voor kwantumcomputers. Dit probleem is juist gekozen omdat het theoretisch goed wordt begrepen, waardoor het mogelijk wordt het kwantumresultaat te verifiëren en te berekenen hoe lang een klassieke computer nodig zou hebben om het te repliceren.

Het getal van 10.000 jaar verwijst naar het bekendste klassieke algoritme dat op de krachtigste supercomputer ter wereld draait. Het is niet een bewering dat geen enkel klassiek algoritme het probleem ooit sneller zou kunnen oplossen; beweringen over kwantumsuprematie zijn altijd relatief ten opzichte van de bekendste klassieke methoden, en klassieke algoritmen verbeteren in de loop van de tijd. Maar de marge is zo groot dat het op klassieke wijze sluiten ervan een doorbraak zou vereisen van vergelijkbare omvang als de kwantumvooruitgang zelf.

Belangrijker nog is dat Willow een belangrijke eigenschap demonstreert die kwantumcomputers is ontgaan: foutcorrectie die verbetert naarmate het systeem schaalt. Eerdere kwantumprocessors werden minder betrouwbaar naarmate er meer qubits werden toegevoegd: fouten stapelden zich sneller op dan ze konden worden gecorrigeerd. Willow laat de tegenovergestelde trend zien. Naarmate Google meer qubits aan de foutcorrectiecode toevoegde, nam het aantal logische fouten exponentieel af. Dit is het gedrag dat de kwantumfoutcorrectietheorie voorspelt, maar dat geen enkel fysiek systeem eerder overtuigend had aangetoond.

Waarom foutcorrectie de echte doorbraak is

Om te begrijpen waarom dit ertoe doet, helpt het om de fundamentele uitdaging van quantum computing te begrijpen. Kwantumbits (qubits) zijn buitengewoon gevoelig voor omgevingsstoringen: hitte, elektromagnetische interferentie en zelfs kosmische straling kunnen fouten veroorzaken. Klassieke computers gaan met fouten om door middel van redundantie en foutcorrectiecodes, maar het toepassen van dezelfde aanpak op kwantumcomputers is veel moeilijker omdat kwantumtoestanden niet kunnen worden gekopieerd (het no-cloning theorema) en het meten van een kwantumtoestand deze vernietigt.

Kwantumfoutcorrectie werkt door het coderen van een enkele logische qubit over vele fysieke qubits, op een manier waarmee fouten kunnen worden gedetecteerd en gecorrigeerd zonder de logische status rechtstreeks te meten. De theorie wordt al sinds de jaren negentig begrepen, maar voor de implementatie ervan in de praktijk zijn fysieke qubits nodig met een foutpercentage onder een drempelwaarde. Het handhaven van die drempelwaarde naarmate het systeem schaalt, is uiterst moeilijk gebleken.

Willows demonstratie dat het foutenpercentage afneemt naarmate het systeem schaalt, is het eerste overtuigende bewijs dat een fysiek kwantumsysteem op schaal onder de foutcorrectiedrempel kan werken. Het betekent niet dat fouttolerante kwantumcomputing op handen is – de foutenpercentages zijn nog steeds te hoog voor de meeste praktische toepassingen – maar het toont aan dat de weg naar fouttolerantie open is. De vraag is niet langer of schaalbare kwantumfoutcorrectie fysiek mogelijk is, maar hoe lang het zal duren om de foutenpercentages te bereiken die nodig zijn voor bruikbare berekeningen.

Implicaties voor cryptografie

De cryptografiegemeenschap heeft de vooruitgang op het gebied van quantumcomputers nauwlettend in de gaten gehouden, omdat kwantumcomputers met voldoende krachtige capaciteit de RSA- en elliptische curve-encryptie – de basis van de meeste internetbeveiliging – zouden kunnen doorbreken. Het resultaat van Willow heeft dat gesprek nieuw leven ingeblazen, hoewel de onmiddellijke dreiging minder acuut is dan sommige krantenkoppen suggereren.

"We zijn er nog niet", zegt dr. Michele Mosca van het Institute for Quantum Computing. "Maar het resultaat van vandaag is een duidelijk signaal dat de tijdlijn voor cryptografisch relevante quantum computing serieus moet worden genomen. Organisaties die nog niet zijn begonnen met de migratie naar post-kwantumcryptografie moeten nu beginnen."

Het doorbreken van RSA-2048 – de meest gebruikelijke encryptiestandaard – zou een fouttolerante kwantumcomputer met miljoenen logische qubits vereisen. Willow heeft 105 fysieke qubits. De kloof is enorm. Maar de demonstratie van schaalbare foutcorrectie betekent dat de kloof nu een kwestie van techniek is en niet van fundamentele natuurkunde. De post-kwantumcryptografiestandaarden van NIST, die in 2024 zijn afgerond, bieden het migratiepad dat organisaties moeten volgen – en het resultaat van Willow is een overtuigend argument voor urgentie.

De meest kwetsbare systemen zijn systemen met een lange levensduur van gegevens. Gecodeerde gegevens die vandaag worden onderschept, kunnen later worden opgeslagen en gedecodeerd, zodra kwantumcomputers krachtig genoeg zijn. Inlichtingendiensten en vijandige natiestaten doen vrijwel zeker precies dit: een strategie die bekend staat als 'oogst nu, ontsleutel later'. Voor gegevens die tien jaar of langer vertrouwelijk moeten blijven, is de migratie naar post-kwantumcryptografie niet optioneel.

Geneesmiddelenontdekking en moleculaire simulatie

De meest veelbelovende toepassing is moleculaire simulatie. Kwantumcomputers zijn van nature geschikt voor het modelleren van kwantummechanische systemen, inclusief het gedrag van moleculen. Nauwkeurige moleculaire simulatie zou de ontdekking van geneesmiddelen dramatisch kunnen versnellen door onderzoekers in staat te stellen potentiële kandidaat-geneesmiddelen computationeel te testen voordat ze ooit een enkel molecuul synthetiseren.

De huidige klassieke computers kunnen moleculen tot ongeveer 50 atomen nauwkeurig simuleren. Daarnaast groeit de rekencomplexiteit exponentieel en worden benaderingen noodzakelijk. Veel van de belangrijkste biologische moleculen – eiwitten, enzymen, doelwitten voor medicijnen – zijn veel groter dan deze limiet. Een fouttolerante kwantumcomputer zou deze moleculen precies kunnen simuleren, waardoor mogelijk kandidaat-geneesmiddelen kunnen worden geïdentificeerd die klassieke methoden volledig zouden missen.

De tijdlijn voor deze toepassing is langer dan de cryptografiedreiging. Moleculaire simulatie vereist fouttolerante kwantumcomputers met duizenden logische qubits – nog jaren verwijderd. Maar farmaceutische bedrijven, waaronder Roche, Pfizer en Merck, investeren al in onderzoek naar kwantumcomputers en positioneren zichzelf om de technologie te exploiteren wanneer deze volwassen wordt.

Materiaalkunde en klimaattoepassingen

Naast de ontdekking van geneesmiddelen zou kwantumsimulatie de materiaalwetenschap kunnen transformeren. Het ontwerpen van betere katalysatoren voor industriële chemische processen – inclusief het Haber-Bosch-proces dat kunstmest produceert, dat ongeveer 2% van het mondiale energieverbruik voor zijn rekening neemt – zou een enorme economische en ecologische impact kunnen hebben. Het ontwerpen van betere zonnecelmaterialen, betere batterijchemie en betere supergeleiders zijn allemaal problemen die kwantumsimulatie zou kunnen versnellen.

De gevolgen voor het klimaat zijn potentieel aanzienlijk. Veel van de belangrijkste technologieën voor schone energie – zonnecellen van de volgende generatie, supergeleiders op kamertemperatuur, betere elektrolysers voor de productie van groene waterstof – worden beperkt door ons onvermogen om materialen te ontwerpen met precies de juiste kwantummechanische eigenschappen. Kwantumcomputers zouden die beperking kunnen wegnemen.

Het concurrentielandschap

Google staat niet alleen in de race om bruikbare kwantumcomputers te bouwen. IBM heeft een eigen roadmap, gericht op 100.000 fysieke qubits in 2033. Microsoft volgt een fundamenteel andere aanpak met behulp van topologische qubits, die theoretisch beter bestand zijn tegen fouten. IonQ en Quantinuum bouwen kwantumcomputers met gevangen ionen, die een lager foutpercentage hebben dan supergeleidende qubits, maar moeilijker te schalen zijn. Het Chinese kwantumcomputerprogramma, gecentreerd aan de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, heeft zijn eigen suprematieresultaten aangetoond.

De diversiteit aan benaderingen weerspiegelt de echte onzekerheid over welk fysiek platform uiteindelijk het meest praktisch zal blijken voor fouttolerante kwantumcomputing. Elke aanpak heeft verschillende afwegingen tussen qubit-kwaliteit, schaalbaarheid en bedrijfsomstandigheden. Het deelnemersveld is nog zo vroeg dat het winnende platform niet duidelijk is.

Wat daarna komt

De routekaart van Google roept op tot een fouttolerante kwantumcomputer – een computer die praktische algoritmen kan uitvoeren met een foutpercentage dat laag genoeg is voor echte toepassingen – tegen het einde van dit decennium. Of die tijdlijn stand houdt, zal afhangen van de voortdurende vooruitgang op het gebied van foutcorrectie, qubit-kwaliteit en de klassieke besturingssystemen die kwantumprocessors beheren.

Het resultaat van Willow is een echte mijlpaal, geen marketingaankondiging. Het toont aan dat de fundamentele fysica van schaalbare kwantumfoutcorrectie werkt zoals de theorie voorspelt. De resterende technische uitdagingen zijn formidabel, maar het zijn technische uitdagingen – van het soort dat aanleiding geeft tot duurzame investeringen en inspanningen. Het tijdperk van praktisch bruikbare kwantumcomputing is dichterbij dan vorige week.

Bronnen en verder lezen