De komst van Willow, Google’s nieuwe chip die de commerciële toepassing van quantum computing een stuk dichterbij brengt, is ook bij het onderzoeksinstituut QuTech niet onopgemerkt gebleven. Prof. Lieven Vandersypen, de wetenschappelijk directeur van dit samenwerkingsverband van TU Delft en TNO, is onder de indruk. Behalve de grote snelheid waarmee Willow werkt, spreekt vooral de hogere betrouwbaarheid – een cruciale factor – hem aan.
Wat Google in de praktijk heeft gedemonstreerd, is in de hele quantum-community het gesprek van de dag. Dertig jaar lang hebben wetenschappers geprobeerd fouten in berekeningen exponentieel te verminderen als meer qubits worden ingezet. Dat is Google nu gelukt.
Ook ver buiten de wereld van quantum-onderzoekers werd het belang van deze doorbraak direct onderkend. Elon Musk reageerde, kort nadat Alphabet-topman Sundar Pichai de mijlpaal had aangekondigd, op X enthousiast met een krachtig ‘Wow’. De multimiljardair, ook eigenaar van SpaceX, wil op basis van Willow een quantumcluster in de ruimte uitrollen. Het Starship-ruimtevaartschip kan plaats bieden aan zulke computers. Musk, niet vies van actie, heeft het idee meteen aangekaart bij Pichai.
Ook Sam Altman, de baas van OpenAI, kwam met felicitaties. En de beurskoers van Google veerde meteen vijf procent op om de volgende dag daar nog een paar procent aan toe te voegen.
Grote stap
QuTech’s wetenschappelijk directeur Vandersypen onderschrijft de conclusie dat hier sprake is van een grote stap voorwaarts. We vroegen hem de doorbraak in de juiste context te zetten.
Volgens Vandersypen zijn fouten bij de huidige quantumcomputers en versies waaraan nu wordt gewerkt, onvermijdelijk. ‘Bij korte berekeningen hebben die nauwelijks impact. Anders is het gesteld met langere berekeningen. Bij relevante toepassingen waar we ook wat aan hebben, lopen de rekentijden op. Dan moeten veel stappen na elkaar worden genomen; een proces dat gepaard gaat met een opeenstapeling van fouten. Als je die fouten niet weghaalt, wordt het eindresultaat onbetrouwbaar.’ Populair gezegd: dan raak je van de regen in de drup.
Volgens Vandersypen was het al dertig jaar bekend dat het theoretisch mogelijk is fouten sneller weg te halen dan dat ze optreden. ‘Google Quantum AI heeft nu met een demo aangetoond dat deze correctie ook in de praktijk mogelijk is. Deze bewezen methode is gebaseerd op redundantie. Meerdere fysieke qubits (bijvoorbeeld 101) worden gebruikt om netto één logische qubit voor te stellen. Deze qubit is voldoende nauwkeurig om daarop bewerkingen te doen. Zo’n uit 101 fysieke qubits tot stand gekomen logische qubit blijkt 2,5 keer langer te zijn bewaren dan een bestaande fysieke qubit. Die bewaarperiode is belangrijk om berekeningen zonder fouten te kunnen voltooien.’
De directeur legt uit dat hoe meer fysieke qubits in het spel komen en hoe meer redundantie er komt, des te hoger de betrouwbaarheid van de logische qubit is. ‘Met lithografie etste Google een supergeleidende structuur, zijnde een quantumbit. Op één zo’n chip, een supergeleidend quantumsysteem plaatsten de engineers 105 fysieke bits naast elkaar waarvan er honderd in het experiment werden gebruikt. Behalve dat meer van zulke bits op een chip werden geplaatst, lukte het Google ook bij de aansturing een grote mate van controle te bereiken.’
Kanttekening
Volgens Vandersypen helpt de chip-innovatie meer schaalbare prototypes van quantumcomputers te ontwikkelen; het gebied waarop het Delftse QuTech zich beweegt. De wetenschappelijk directeur bij QuTech plaatst wel een kanttekening bij Google’s statement dat Willow een aanzienlijke stap op weg betekent naar commercieel relevante toepassingen. ‘De testberekening die de quantumchip vele malen sneller uitvoerde dan een supercomputer, heeft absoluut geen commerciële toepassing’, zegt hij. Om eraan toe te voegen dat het gaat om de vraag wat de uitkomst is na het uitvoeren van een willekeurige sequentie instructies. ‘Dat is moeilijk na te rekenen met een supercomputer, maar uiteraard leidt een random set instructies ook tot een random uitkomst. Het is daarmee een dure ‘random-number generator’.’ Hiermee wil Vandersypen niets afdingen op de indrukwekkende technologische prestatie, maar hij vindt het goed een en ander in de juiste context te plaatsen. ‘Voor nuttige toepassingen moet de foutenratio nog verder onderdrukt worden. Ook is het nodig de arrays per qubit verder uit te breiden. Bovendien moeten er berekeningen uitgevoerd worden op de qubit arrays. Er is dus nog een weg te gaan.’
Santa Barbara
Google fabriceerde de nieuwe chip in een nieuwe productiefaciliteit in Santa Barbara (Californië) die vanaf de grond af aan voor dit doel is gebouwd. Google noemt systeemtechniek essentieel bij het ontwerpen en fabriceren van quantumchips: alle componenten van een chip, zoals enkele en twee-qubit gates, qubit reset en readout, moeten tegelijkertijd goed worden ontworpen en geïntegreerd.
Als een component achterloopt of als twee componenten niet goed samenwerken, dan gaat dat ten koste van de systeemprestaties. Daarom is het maximaliseren van de systeemprestaties van invloed op alle aspecten van het proces; van chip-architectuur en -fabricage tot gate-ontwikkeling en -kalibratie.
