Kwantumtechnologie: maar wat kan je er nu mee?

Nutteloze vernuftigheid?

Niets is minder waar. Zo heeft bijna elk modern gadget – computers, mobieltjes, gameconsoles en wagens – een ingebouwde transistor, die volledig steunt op kenmerken van de kwantummechanica.

Toch zal je niet binnen een jaar zomaar even een MediaMarkt-filiaal kunnen binnenstappen en daar een kwantumcomputer kopen. De zaken waarvoor een kwantumcomputer wordt gebruikt zijn namelijk fundamenteel verschillend van de toepassingen van klassieke computers.

Hoewel kwantummechanica als discipline al sinds het begin van de 20^e eeuw bestaat, begon pas aan het einde van de 20^e eeuw het idee te dagen dat kwantumfysische problemen enkel kunnen worden nagebouwd aan de hand van een universele kwantumsimulator die dezelfde kenmerken deelt als het te simuleren kwantumfysische probleem.

Het idee werd in 1981 in omloop gebracht door fysicus Richard Feynman, die verzuchtte dat “de natuur helemaal niet conventioneel is, en dat als je een simulatie van de natuur wil maken, je er maar beter voor zorgt dat die kwantummechanisch van aard is.”

Ook voor Andrew Bestwick, director of engineering van kwantumstart-up Rigetti klinkt dat heel logisch. “De natuur herbergt haar informatie niet in enen en nullen, maar drukt zichzelf uit volgens de wetten van de kwantummechanica. Als je dus een kwantumsysteem wil simuleren, heb je ook iets nodig dat daarvoor uitgerust is.”

Hoewel de commerciële toepassingen van de technologie niet hapklaar zijn, zetten de grote technologiereuzen zoals Google, IBM, Microsoft en start-up Rigetti hun kwantumprocessoren via de cloud open voor ontwikkelaars om er een gebruiksklare toepassingen op te bedenken. Zo maken onder andere Samsung, Honda en Barclays gebruik van de IBM Quantum Cloud voor hun kwantumonderzoek.

Dario Gil, vice-president van IBM Q stelt dat de zoektocht naar commerciële toepassingen inderdaad een van de belangrijkste uitdagingen blijft voor kwantumtechnologie. “De missie bestaat erin om de eerste kwantumtoepassing uit te vinden die ook van commercieel nut is.” Ook voor Rigetti blijft dat het belangrijkste doel: “We willen focussen op de commerciële bruikbaarheid en de toepasbaarheid van deze machines, want dat is uiteindelijk waarom dit bedrijf bestaat.”

Hoewel kwantumcomputers tot voor kort geen enkel competitief voordeel ten opzichte van conventionele computers op hun conto konden schrijven, is daar sinds kort verandering in gekomen. Recent bewees IBM namelijk dat kwantumcomputers een stuk sneller zijn dan conventionele computers. De kwantumwereld hoopt dat het de eerste overwinning is op conventionele computers, in de rij van zovele. Ondertussen sommen we de belangrijkste toepassingsdomeinen van kwantumtechnologie voor je op.

Kwantumtoepassingen

Kwantumsimulaties

Het feit dat computerwetenschapper Richard Feynman het logisch vond dat kwantumsimulaties door kwantumsystemen werden uitgevoerd, komt misschien niet helemaal tegemoet aan onze verwachtingen van een wetenschappelijk gestaafde conclusie.

Toch is het zo dat veel praktische wetenschappelijke probleemstellingen zoals wat superconductors nu precies supergeleidend maakt, of waarom magneten nu eigenlijk magnetisch zijn, maar moeilijk op te lossen zijn aan de hand van conventionele computers. Verschillende van de hieronder beschreven toepassingen zoals financiële simulaties, ruimtevaart en geneeskunde maken gebruik van kwantumsimulaties.

Hyperveilige encryptie

Met datalekken her en der wordt het duidelijk dat we stilaan op zoek moeten naar een veiligere vorm van gegevensversleuteling. Versleuteling zorgt er namelijk voor dat gegevens zelf onbruikbaar worden wanneer ze bij kwaadwillende personen terechtkomen. De kwantuminformatietechnologie kan hier soelaas bieden.

In de meeste gevallen gebruiken kwantumcryptografische systemen gepolariseerde fotonen als qubits. Zo zijn er al verschillende onderzoekslaboratoria en bedrijven zoals Toshiba, Hewlett Packard en IBM die kwantumcryptografische oplossingen uitgevonden hebben.

In oktober 2007 ontwikkelde Nicolas Gisin samen met collega’s van de Universiteit van Genève een heus kwantumcryptografiesysteem, dat al meteen werd toegepast tijdens de Zwitserse federale verkiezingen. Gisin en kompanen zorgen er met hun kwantumsysteem namelijk voor dat de stemmen op veilige wijze overgebracht werden tussen het Zwitserse centrale stembureau en het telbureau.

Het bedrijf ID Quantique, dat zich specialiseert in quantum-proof cryptografische oplossingen, ontwikkelde ook al een gelijkaardig systeem voor veilige gegevensoverdracht in 2010. Dat werd dan weer ingezet tijdens het wereldkampioenschap voetbal in Zuid-Afrika.

Financiële simulaties

JP Morgan Chase maakt al langer gebruik van zogenaamde “quants”, oftewel werknemers die op zoek gaan naar winstmarges met behulp van een computer. Dit jaar voegde de bank werknemers toe die je misschien schertsend “quantums” zou kunnen noemen.

De computers die de werknemers gebruiken om hun berekeningen op uit te voeren, werken namelijk aan de hand van kwantummechanica. Ergens is dat ook logisch; bepaalde financiële probleemstellingen zoals  aanpassingen aan het portfoliorisico, komen neer op gelijkaardige wiskundige principes als die voor kwantummechanica.

De grootste bank van de Verenigde Staten mikt duidelijk op een kwantumtoekomst. Daarom heeft JP Morgan Chase een klein onderzoekscomité van ingenieurs en wiskundigen opgericht om na te gaan hoe kwantumcomputers hen zouden kunnen helpen bij het berekenen van financiële risico’s. Daarvoor zullen ze gebruikmaken van de IBM Quantum Cloud.

De Amerikaanse bank is een van de vele bedrijven die gebruikmaken van de zogenaamde “kwantumcloud” van IBM, en dat is niet verwonderlijk; als de kwantumprocessoren van IBM op schaal kunnen toegepast worden, bieden ze een immense computerkracht.

Bob Stolte, CTO van het equities departement van JP Morgan, geeft impliciet wel toe dat de technologie nog geen concrete toepassingen heeft, al stelt hij ook wel dat de potentiële computerkracht gigantisch is. “Als je quantum computing kan toepassen op bepaalde probleemstellingen, geeft dat een exponentiële toename in computerkracht die je nooit zou kunnen verkrijgen aan de hand van conventionele GPU’s of CPU’s.”

Ruimtevaart

Wie aan ruimtevaart denkt, denkt aan NASA (of aan marsmannetjes, afhankelijk van het soort films dat je bekijkt.) Ook NASA gelooft sterk in het potentieel van quantum computing, en onderzoekt naarstig verder naar de mogelijkheden van de technologie in het NASA Quantum Artificial Intelligence Lab (QuAIL).

Het team van het QuAIL-lab wil aantonen dat quantum computing een beter antwoord zal kunnen formuleren op optimalisatie- en machine learning­-probleemstellingen die zich soms voordoen in de complexe luchtvaartkunde en tijdens ruimtevaartmissies.

Davide Venturelli, IT-specialist van NASA, geeft ons alvast een inkijk in wat er ons te wachten staat op he gebied van ruimtevaart. Een van de mogelijke optimalisaties is bijvoorbeeld het verbeteren van vliegtuigroutes zodat het opstijgen en de landing van vliegtuigen zo vlotjes mogelijk verloopt. Als wetenschappers luchtverkeer op die manier efficiënter kunnen laten verlopen, kan het de gevaren van een overbelast luchtruim sterk verminderen.

Dat is echter verre van de enige toepassing waar NASA kwantumtechnologie voor wil inzetten. Zo zal het volgens Venturelli niet lang meer duren voor NASA ruimtevaartmissies inplant die volledig geleid worden door robots. “Het doel daarbij is om de missie ruim op voorhand in te plannen omdat live communicatie met robots gewoon niet haalbaar is door de afstand van de aarde.”

Door te steunen op kwantumoptimalisatie kunnen NASA-wetenschappers in feite voorspellen wat er zich tijdens zo’n missie zal afspelen, en wat het beste actieplan is voor die robots om hun werk uit te voeren. Venturelli verduidelijkt; “We hebben sommige missies waarbij we verschillende robots tegelijk op missie zouden sturen die we dan allemaal moeten coördineren. Die robots moeten dan bepaalde handelingen uitvoeren zoals vlekkeloos landen, dat alles zonder realtime communicatie.”

Geneeskunde

Kwantumtechnologie kan ingewikkelde moleculaire en chemische interacties ontwarren, wat tot de ontdekking van nieuwe medicijnen en medisch materiaal kan zorgen.

Chemische probleemstellingen zijn waarschijnlijk een van de eerste problemen waar de kwantumtechnologie een handje bij zal kunnen helpen. Dat beweert althans Stephen Jordan, een onderzoeker op het gebied van quantum computing die recent nog zijn post bij het Amerikaanse nationale instituut van Standaarden en Technologie inruilde voor Microsoft.

Volgens Jordan sluit de simulatie van de kwantummechanische eigenschappen van moleculen perfect aan op de eigen kwantumeigenschappen van qubits.

Kwantumtechnologie zou er ook op lange termijn voor kunnen zorgen dat mensen niet langer hoeven blootgesteld te worden aan schadelijke straling. Mikhail Lukin, Harvardprofessor en expert in quantumoptica en atoomfysica werkt aan de bio-barcodemethode, oftewel de manipulatie van minuscule nano-partikeltjes uit diamant die door hun unieke kwantumkenmerken kunnen vastgemaakt worden aan lichaamscellen die vechten tegen een bepaalde ziekte.

Met die partikeltjes kan hij beelden maken van menselijke cellen en de ziekte detecteren zonder de patiënt bloot te stellen aan straling.

Er worden echter nog andere kwantumtechnieken ontwikkeld om ziekten te bestrijden. Zo kunnen gouden nanopartikeltjes geprogrammeerd worden om enkel laagjes op te bouwen in tumorcellen, wat ervoor zorgt dat de tumor meteen zichtbaar is, en dat gezonde cellen ook niet meer aangevallen dienen te worden.

Daarnaast bevat kwantumtechnologie ook antwoorden op het gebied van onze menselijke biologie. Door middel van kwantummechanische eigenschappen kunnen we namelijk sneller DNA in de juiste volgorde rangschikken en andere Big Dataproblemen binnen de geneeskunde oplossen.

Dat opent de deur naar een gepersonaliseerde gezondheidszorg, gebaseerd op de individuele genetische eigenschappen van elke patiënt.

Ook bij onderzoek naar nieuwe geneesmiddelen, blijft kwantumtechnologie nuttig. De vergelijking van moleculen is een belangrijke stap in de vroege fase van het ontwerp van een nieuw geneesmiddel. Tot zover worden voor de berekeningen in die fase conventionele computers gebruikt.

Die computers blijken echter beperkt tot een bepaalde grootte moleculen, terwijl – je raadt het al – kwantumcomputers veel grotere moleculen kunnen verrekenen. Dat zorgt op zijn beurt weer voor meer farmaceutische vooruitgang voor een hele rist ziektes.

Quantum computing zorgt er ook voor dat we bepaalde complexe moleculaire interacties kunnen simuleren op atoomniveau. Ook dat is erg belangrijk voor medisch onderzoek en voor de ontdekking van nieuwe geneesmiddelen.

Zo zullen we binnenkort in staat zijn om alle 20.000 proteïnen die in het menselijke genoom versleuteld liggen, te simuleren; evenals hun interacties met bestaande of nieuwe medicijnen die zelfs nog niet zijn uitgevonden.

AI

Kwantumtechnologie zorgt voor een exponentiële toename in het potentieel van AI en deep learning. Vooral wanneer datasets erg uitgebreid zijn, zoals vaak het geval is bij het doorzoeken van beelden of video’s, kan kwantumtechnologie soelaas bieden met het kwantumalgoritme van Grover.

Bernard Marr, futurist en auteur bij Forbes stelt dat “kwantumcomputers extreem grote datasets kunnen analyseren en slimme machines zo van de feedback kunnen voorzien die nodig is om hun prestaties te verbeteren.”  Kwantumcomputers zijn volgens Marr namelijk veel efficiënter in de analyse van data en geven accuratere feedback dan conventionele computers.”

Hierdoor kort de leercurve van kunstmatig intelligente machines aanzienlijk in. Die kortere feedback loop is in principe van toepassing op verschillende industrieën en kan ervoor zorgen dat technologie in sneltempo veel intuïtiever zal worden.

Net als in de ruimtevaart, wint ook in de geneeskunde de combinatie van ruimtevaart met AI aan terrein. Zo is er een groeiende tendens om machine learning te koppelen aan diagnostics. Het overgrote deel van machine learning gaat namelijk over patroonherkenning. Algoritmen verrekenen zulke grote datasets aan patiëntinformatie, dat het moeilijk wordt om de bruikbare informatie te onderscheiden van de noise.

Kwantumcomputers kunnen zulke grootschalige berekeningen veel efficiënter aan dan conventionele computers. Quantum computing zal dokters toelaten om veel meer gegevens tegelijkertijd te bestuderen en er sneller patronen in te ontdekken. Dat zal dan weer leiden tot krachtigere vormen van AI, en aan een sneller tempo dan we misschien verwachten.