Hoe schrijf je applicaties voor een quantumcomputer? En welke schrijf je dan? Dit zijn de twee centrale vragen binnen de samenwerking tussen Fujitsu, TU Delft en QuTech. Naast het voortdurende gesleutel aan de hardware. TU Delft is overtuigd dat deze coöperatie vruchten gaat dragen. Daarvoor is 2030 het sleuteljaar, maar de tijdlijn loopt tot zeker halverwege deze eeuw.
De oprichting van het Fujitsu Advanced Computing Lab is onderwerp van gesprek tijdens Fujitsu Quantum Day (25 januari) in de Oude Bibliotheek in Delft. Hier laten wetenschappers hun licht schijnen op wat er is bereikt en welke uitdagingen er nog wachten op het vlak van quantum computing. Spoiler: meer dan genoeg.
Dit artikel is gebaseerd op gesprekken met Vivek Mahajan (cto Fujitsu), Tim van der Hagen (rector magnificus TU Delft), Kees Eijkel (hoofd business development QuTech), Shintaro Sato (head of quantum laboratory Fujitsu Research), en John Walsh (Europe cto Fujitsu Services). Tevens op tijdschriften die het Quantum Computing Vision Team van TU Delft heeft uitgegeven.
Keuzemenu
Wat heeft een hedendaagse cio van Schiphol of Heineken aan een quantum-lab? Uit het antwoord blijkt dat Heineken wellicht beter vervangen had kunnen zijn door Fokker, thans onderdeel van het Britse GKN. Want een van de applicaties waarop het onderzoeksspan zich wil richten is het berekenen van (lucht)stromingen. Dat dan ook van belang kan zijn voor een scheepsbouwer als Damen Shipyards.
Niettemin zou elke cio zich met dit onderwerp moeten bezig houden en nu alvast moeten nadenken over welke toepassingen van zijn organisatie baat hebben bij de schier ongebreidelde rekenkracht van de cryocomputers (verwijzend naar de extreme kou die dergelijke rekenmonsters nodig hebben om te kunnen werken). Hoewel de tijdslijnen waarlangs deze platformen worden ontwikkeld decennia beslaan, is het nu al nodig je hierin te verdiepen.
Voor Fujitsu staat het buiten kijf dat de quantumcomputers een rol gaan spelen; daar waar klassieke en supercomputers nu tegen fysieke grenzen aanlopen en het antwoord schuldig moeten blijven op ingewikkelde vraagstukken. Uiteindelijk, zo klinkt het, krijgen de cio’s een keuzemenu voorgeschoteld: de klassieke computer, de supercomputer (high performance computing) of de quantumcomputer? Zij moeten nu nadenken voor welke taken zij welke computer nodig denken te hebben. Overigens niet alleen zij, luidt de boodschap, politici en (top)ambtenaren moeten nadenken hoe zij de flitscomputers kunnen inzetten om maatschappelijke problemen te helpen oplossen.
Daar moet je als producent van computers nu bij zijn. Je kunt niet tien jaar wachten en dan pas aanhaken, want dan ben je te laat. Daarom investeert Fujitsu hevig in deze vorm van automatisering. Een diepte-investering die niet meteen winst hoeft op te leveren. Er zijn maar een paar bedrijven ter wereld die zich op dit vlak kunnen roeren. Denk aan Google, Microsoft, IBM, Alibaba en Intel; die hebben diepe zakken.
Fujitsu spreidt te onderzoekskosten door de strategische allianties met kennisinstituten, zoals TU Delft. Andere gebieden waarvoor de cryocomputers zo geschikt voor zijn en waarvoor dus applicaties ontwikkeld dienen te worden: farmacie, logistiek, de ontwikkeling van nieuwe materialen en financiële dienstverlening. Hoe dat dan in de praktijk gaat gebeuren? Hoogstwaarschijnlijk zoals in de begindagen van de mainframes: een organisatie huurt computertijd (bijvoorbeeld bij Fujitsu).
Kamertemperatuur
Quantumcomputers opereren rond het absolute nulpunt (-273 °C) vanwege de fragiele toestand van de qubits. Doel van het Japans/Delftse lab is die temperatuur omhoog te krijgen. Niettemin praten we dan nog steeds over microkelvin; temperaturen net iets boven dat absolute nulpunt. Nog steeds heel erg koud, aldus de onderzoekers.
Niettemin zet Fujitsu zijn kaarten op de natuurlijke beweging van elektronen binnen diamanten om qubits te bouwen. Nitrogen-vacancy (NV)-centra in diamant zijn een veelzijdig platform voor quantumtechnologieën. De quantuminformatie van de NV-centra in diamant is te bepalen met een speciale laser. Een van de voordelen van NV-qubits is dat ze werken bij kamertemperatuur, waardoor het potentiële toepassingsgebied van deze quantumcomputers aanzienlijk wordt uitgebreid.
De uitdaging is om meerdere geschikte NV-centra zo dicht bij elkaar te plaatsen en verstrengeling, een hoeksteen van quantumtechnologie, kan plaatsvinden.
Uitgebreid ecosysteem
QuTech daarentegen faciliteert ook andere technologieën: supergeleidende qubits, neutrale atomen, fotonen, ionenvallen, topologische qubits en natuurlijk de spin-qubits. Om een beeld te krijgen, is het handig animaties van QuTech te bekijken.
Het doel van QuTech is om quantum computing in zijn algemeenheid te stimuleren. Het maakt geen keuze. Quantum computing is maar net uit de couveuse en in de luiers. Evolutie werkt op een manier dat tal van oplossingen ontstaan en uiteindelijk de meest toepasselijke overleeft. In dat veelzijdige, chaosstadium bevindt quantum computing zich nu.
Quantum computing is maar net uit de couveuse en in de luiers
Dat betekent dat tal van wegen worden ingeslagen en tal van beginnende bedrijfjes zich op specifieke onderdelen van ‘quantum’ richten. Elk van hen mag zich verheugen op de belangstelling van QuTech.
Sterker, het instituut is er trots op dat het (QuTech bestaat sinds 2014) een uitgebreid ecosysteem heeft gecreëerd. Denk aan Q*Bird dat zich richt op veilige communicatie (en onder andere voor de Rotterdamse haven actief is), Orange Quantum Systems bouwt kalibratiesystemen voor onderzoekslabs, QBlox, Quantware, QphoX en Single Quantum. Er werken nu meer mensen bij de spin-offs en spin-outs dan bij QuTech zelf, klinkt het trots.
Software
Alle aandacht is er wereldwijd op gericht om qubits te maken die in honderdtallen met elkaar verbonden zijn en zo een computer vormen. Daar gaat Fujitsu uiteraard mee verder, met de focus op diamantspins. Maar er is meer nodig om een flitscomputer naar behoren te laten werken. Zoals mogelijkheden om fouten tegen te gaan en te herstellen. Een taal om met de qubits te spreken, opdat het algoritme wordt uitgevoerd. Er zijn nu meerdere programmeer-frameworks: Braket, @#, Qiskit en Forest. Omdat de meeste programmeurs geen quantum-ervaring hebben, bieden de meeste frameworks een interface waarbij je algoritmes kunt slepen (no coding), het platform handelt zelf het ‘echte’ codeerwerk af.
Er is voorts heel veel elektronica nodig om de signalen van en naar de qubits te sturen op het juiste moment. En daar zit de kneep: wat is het juiste moment? Want een qubit valt uit elkaar, zodra je het manipuleert. Het fonkelnieuwe Fujitsu Advanced Computing Lab gaat ook die uitdagingen aan. Ook het ‘loodgieterswerk’ komt aan bod. Maar met in het achterhoofd: welke software en applicaties hebben profijt van flitscomputers?
