Natuurkundigen van de TU Eindhoven hebben een simulatieomgeving voor een quantumcomputer in gebruik genomen. Die moet nieuwe inzichten gaan opleveren over hoe een quantumcomputer te programmeren is.


Om verwarring te voorkomen: ze werken in Eindhoven ook aan échte quantumcomputers, daarover later meer. Wat onderzoekers van de faculteit Applied Physics and Science Education dinsdag 10 juni presenteerden was hun Rydberg Simulatie Platform RySP, een omgeving waarin hun quantumcomputer wordt nagebootst, zodat iedereen ermee aan de slag kan.

Nou ja, iedereen, diegene moet wel een beetje verstand hebben van hoe een quantumcomputer werkt. Op de website kunnen gebruikers hun problemen uploaden in de vorm van een relatief eenvoudige computercode. De digitale tweeling van de quantumcomputer gaat dan aan de slag met het probleem.

Die simulatie draait op een krachtige supercomputer, die in de toekomst nog meerdere upgrades gaat krijgen en zich bevindt op de High Tech Campus, vijf kilometer verderop in Eindhoven. Gebruikers komen aan de beurt op basis van eerst-komt-eerst-maalt, en berekeningen mogen maximaal een half uur duren.

Kennismaken met de mogelijkheden

Het nieuwe systeem dient ook voor gebruikers om kennis te maken met de mogelijkheden van quantumcomputers waarvan de processor is opgebouwd uit slechts enkele tientallen individuele atomen, vertelt hoogleraar Servaas Kokkelmans, hoofd van de groep Coherence and Quantum Technology van de TU/e. Dat is het type quantumcomputer waar zijn groep aan werkt: gebaseerd op losse atomen die een interactie met elkaar kunnen aangaan. ‘We hopen veel te leren van de feedback die gebruikers van het nu gelanceerde Rydberg-systeem aan ons gaan geven.’

Schrijven van code

Het nieuwe, online systeem is ook een manier om te wennen aan werken met een quantumcomputer. Gebruikers kunnen gaan oefenen met het schrijven van de code die de algoritmen bevatten waarmee die aan de slag gaat; hieronder is een voorbeeld te zien. Net zoals het voor piloten waardevol is om ook uren te maken op een flight simulator. De onderzoekers in Kokkelmans’ groep gaan daarom ook zelf werken met de gesimuleerde quantumcomputer. ‘Door het platform zelf te gebruiken, willen we het verder ontwikkelen’, vertelt Rianne Lous, één van de hoofdonderzoekers van de groep.

Voorbeeld van de code waarmee de gesimuleerde quantumcomputer wordt aangestuurd. Bron: https://www.quantum-inspire.com/

Andere manier van rekenen

Een quantumcomputer werkt heel anders dan een gewone computer (meer lezen). De rekeneenheden van een quantumcomputer, de qubits, kunnen behalve ‘0’ of ‘1’ ook een tussenvorm daarvan aannemen. Door die zogeheten superpositie wordt een heel andere manier van rekenen mogelijk. Die is bij uitstek geschikt voor bepaalde ingewikkelde optimalisatieproblemen. 

Sneller en efficiënter komen tot een antwoord

Stel dat een bedrijf de negen grootste steden in Nederland wil voorzien van goederen, maar dat het maar vier distributiecentra kan bouwen. Gezien het weggennetwerk en de bekende afstanden tussen die steden, waar kunnen die opslagplekken het beste worden neergezet? De oplossing daarvan kan ook prima komen van een ‘gewone’ computer, maar dat vergt wel het doorrekenen van heel veel opties; en dus veel rekenkracht en energie. Een quantumcomputer komt dankzij een andere manier van rekenen veel sneller en efficiënter tot het antwoord, de beste locaties voor de distributiecentra.

Elektronenwolken

Een ander interessegebied van Kokkelmans is de quantumchemie, een vakgebied waarin onderzoekers de principes van de quantummechanica inzetten om eigenschappen en gedrag van materialen op atomaire en moleculaire schaal te bepalen. Dat komt uiteindelijk vaak neer op het rekenen aan de elektronenwolken die rond een atoom zitten, want die bepalen hoe twee atomen aan elkaar gaan zitten en een molecuul vormen. ‘Het rekenen daaraan is voor een traditionele computer al snel te ingewikkeld. En als je het één stapje ingewikkelder maakt, moet je er een supercomputer naast zetten. Doe je het op de quantum-manier, dan hoeft er alleen een qubit bij te komen om die extra complexiteit te kunnen doorrekenen.’

Zo ziet de quantumcomputer 'Ruby' eruit, een optische tafel vol met lasers, lenzen en spiegeltjes. Die werken samen om het handjevol rubidiumatomen te isoleren dat de quantumberekeningen kan uitvoeren. Foto: TU/e / Bart van Overbeeke

Afgekoeld door laserlicht

In het lab van de onderzoeksgroep staan twee opstellingen die moeten gaan werken als quantumcomputer. Opstelling ‘Ruby’, die werkt op basis van rubidiumatomen is het verste. Daarin worden deze atomen extreem afgekoeld door laserlicht (tot 4 microkelvin), waarna andere laserbundels een klein aantal rubidiumatomen gevangen houden. Deze atomen kunnen fingeren als qubits; een ‘0’ kan worden omgeklapt in een ‘1’, en er zijn operaties mogelijk zoals ‘als qubit A ‘1’ is, dan maak qubit B ‘0’’. Dat betekent dat met deze kleine quantumcomputer bepaalde rekenoperaties kunnen worden gedaan.

Hybride computers

In de toekomst voorzien de onderzoekers hybride computers om de lastigste problemen op te lossen. ‘Een quantumcomputer zal dan samenwerken met een conventionele computer’, zegt Lous. ‘Berekeningen die prima gaan in het gewone domein blijven daar, en de lastigste berekeningen worden door de quantumcomputer gedaan.’
 

Openingsbeeld: Shutterstock