Is het mogelijk om quantumcomputers in serie te schakelen? Onderzoekers hebben een antwoord

Opschalen van quantumcomputing

Quantumcomputers worden verwacht op een dag de kerntechnologie te worden voor geavanceerde berekeningen binnen biotechnologie, materiaalkunde, financiën, cryptografie en andere complexe systemen waar siliconen gebaseerde computers moeite mee hebben.

Echter, twee zaken hebben quantumcomputers tegengehouden om meer gangbaar te worden.

Het eerste is dat hoe meer qubits (het quantum‑equivalent van een binaire bit) er in een systeem aanwezig zijn, hoe hoger de foutkans, waarbij elke instabiliteit een domino‑effect veroorzaakt.

Dit zou binnenkort een probleem uit het verleden kunnen zijn, dankzij recente vooruitgang geboekt door Google (GOOGL ) en zijn Willow‑chip, die een afnemende foutkans bereikt naarmate er meer qubits worden toegevoegd.

Het andere probleem is dat er waarschijnlijk een grootte‑limiet bestaat voor hoe groot een individuele quantumcomputer kan worden, op dezelfde manier waarop een siliciumchip slechts tot een bepaald vermogen kan groeien voordat er problemen ontstaan met de stroomvoorziening, oververhitting, enzovoort.

Ook dit zou opgelost kunnen worden, dankzij het werk van onderzoekers aan de Universiteit van Oxford. Zij slaagden erin een gedistribueerd quantumcomputer‑netwerk te creëren, vergelijkbaar met hoe servers met siliciumchips werken, wat mogelijk de weg vrijmaakt voor quantum‑supercomputers.

Ze kondigden hun resultaten aan in het prestigieuze tijdschrift Nature, onder de titel “Distributed quantum computing across an optical network link”¹.

Quantumcomputers verbinden

De manier waarop quantumcomputers momenteel werken, is als geïsoleerde eenheden, met enkele honderden of misschien wel duizenden qubits voor de meest geavanceerde modellen.

Het probleem is dat het vergroten ervan buitengewoon complex is, want hoe groter het systeem, hoe meer instabiliteit en verstoringen vanuit de omgeving de quantum‑effecten die de computer nodig heeft, kunnen ondermijnen.

Tegelijkertijd zal bruikbare berekening waarschijnlijk miljoenen qubits vereisen, waardoor de industrie in een potentieel doodlopend punt terechtkomt. Tenminste zolang quantumcomputers niet met elkaar verbonden kunnen worden.

En dit is makkelijker gezegd dan gedaan omdat quantumcomputers zeer verschillend zijn van siliciumchips. In traditionele computers is de 0 en 1 een elektrisch signaal dat relatief eenvoudig naar een andere machine kan worden overgebracht.

Voor quantumcomputers moet juist de quantum‑toestand van de qubits worden gecommuniceerd. Deze quantum‑toestanden zijn moeilijk stabiel te houden buiten zeer specifieke omstandigheden, meestal met ultra‑lage temperaturen net enkele graden boven het absolute nulpunt.

Gebruik maken van quantum‑teleportatie

Eerder quantum‑teleportatie‑experiment

In januari 2025 meldden we de eerste aanwijzing dat quantum‑teleportatie in optische vezel een mogelijkheid was. Het leek zelfs mogelijk te zijn om dit te vervoeren via gewone optische vezelnetwerken naast “normale” datastromen.

Hoewel het klinkt als een fantasierijk concept uit een science‑fictionfilm, is quantum‑teleportatie eigenlijk een reëel fenomeen dat al tientallen jaren wordt bestudeerd.

Dit gebeurt wanneer twee verschillende deeltjes “gepaard/gebonden” zijn, iets dat quantum‑verstrengeling wordt genoemd.

In dit geval, wanneer twee deeltjes gekoppeld zijn, wisselen ze informatie uit over grote afstanden — zonder deze fysiek te dragen. In sommige gevallen zou zelfs mogelijk kunnen zijn dat de informatie‑uitwisseling sneller gebeurt dan de lichtsnelheid, iets dat theoretisch onmogelijk is.

Dit was een zeer belangrijke eerste stap, omdat het aangaf dat we geen nieuwe technologie nodig zouden hebben, aangezien kabels quantum‑teleportatie tussen quantumcomputers kunnen uitvoeren.

Maar het was nog geen directe verbinding tussen twee quantumcomputers.

Qubits verbinden

Dit is de stap die de Oxford‑onderzoekers hebben bereikt. Zij gebruikten optische vezels om qubits met elkaar te verbinden en ze te verstrengelen, met behulp van fotonen (lichtdeeltjes).

Bron: Nature

In het laboratoriumexperiment waren de modules ongeveer 2 meter van elkaar gescheiden, elk met toegewijde netwerken en circuit‑qubits. Maar langere afstanden kunnen ook worden bereikt.

Door deze interacties zorgvuldig af te stemmen, kunnen we logische quantum‑poorten uitvoeren – de fundamentele bewerkingen van quantumcomputing – tussen qubits die zich in afzonderlijke quantumcomputers bevinden.

Deze doorbraak stelt ons in staat om effectief “verbindingen te leggen” tussen verschillende quantum‑processors tot één volledig verbonden quantumcomputer.

Dougal Main – Promovendus bij de ionval quantumcomputing onderzoeksgroep aan Oxford

Bron: Nature

Het type quantumcomputer dat werd gebruikt, waren trapped‑ion‑modules. Trapped‑ion quantumcomputers bevatten over het algemeen veel minder qubits, maar met een veel hogere betrouwbaarheid en efficiëntie, waarbij een vergelijkbaar aantal qubits 100‑ tot 1.000‑maal betrouwbaardere resultaten oplevert dan andere quantumcomputing‑methoden.

Bron: Quantinuum

Hoge efficiëntie

De verstrengeling tussen de gekoppelde qubits bereikte een fideliteit van 86%.

Bij het uitvoeren van Grover’s zoekalgoritme, een nuttige benchmark waarbij quantumcomputers normale computers radicaal overtreffen, was het slagingspercentage 71%.

Het Grover‑zoekalgoritme zoekt naar een specifiek item in een grote, ongestructureerde dataset veel sneller dan een gewone computer kan, door gebruik te maken van de quantum‑fenomenen superpositie en verstrengeling om vele mogelijkheden parallel te verkennen.

Dit is opmerkelijk hoog, vooral gezien het feit dat het een eerste prestatie was voordat enige optimalisatie of verbetering van de methode werd doorgevoerd.

Impact van deze ontdekking

Quantum‑supercomputers?

Dit opent de weg naar een geheel andere manier om quantumcomputers te bouwen, door te imiteren hoe supercomputers worden opgebouwd uit afzonderlijke subsysteem‑en die hun berekeningen met elkaar uitwisselen.

Zo’n systeem zou ook opmerkelijk modulair zijn, in plaats van een steeds complexer massief gecentraliseerde quantumcomputer te vereisen.

Door de modules met fotonische koppelingen te verbinden, krijgt het systeem waardevolle flexibiliteit, waardoor modules kunnen worden geüpgraded of vervangen zonder de volledige architectuur te verstoren.

Dougal Main – Promovendus bij de ionval quantumcomputing onderzoeksgroep aan Oxford

Bron: Nature

Heropleving van trapped‑ion‑technologie

Tot nu toe was trapped‑ion‑technologie de betrouwbaardere en het dichtst bij praktisch gebruik, maar beperkt door de moeilijkheid om meer qubits aan een systeem toe te voegen. Om die reden werd verwacht dat andere systemen met supergeleidende qubits de uiteindelijke vorm van quantumcomputer zouden worden.

Als trapped‑ion‑technologie deze limiet kan overwinnen door verbeterde netwerken, is dit mogelijk niet langer waar. Dit zou de bedrijven die zich op dit gebied hebben gespecialiseerd veel aantrekkelijker maken voor investeerders.

Trapped‑ion quantumcomputingbedrijf

IonQ

IonQ is een quantumcomputing‑bedrijf dat trapped‑ion‑technologie gebruikt, opgericht door pionierswetenschappers op dit gebied van de University of Maryland en Duke University. Het werd in 2021 publiek genoteerd aan de NYSE.

IonQ‑quantumcomputingplatformen kunnen een resultaat met 99,9% fideliteit leveren. Het maakt momenteel gebruik van een keten van 64 bariumionen, die een 36‑algoritmische qubit (AQ) produceert. De ketenorganisatie maakt veel snellere berekeningen mogelijk dan andere trapped‑ion‑ontwerpen zonder verlies van fideliteit.

Bron: IonQ

IonQ verwierf Qubitekk in januari 2025, waarmee het team van het bedrijf en 118 patenten aan IonQ werden toegevoegd. De specialiteit van Qubitekk ligt in quantumnetwerken, met gebruik van fotonische interconnecties, het mogelijk maken van quantumclusters en het bevorderen van quantum‑internetcapaciteiten.

Quantumnetwerken moeten zeer beveiligde communicatie mogelijk maken en uiteindelijk gedistribueerde quantumcomputing mogelijk maken. Gezien de snelle ontwikkeling van het vakgebied, kan expertise en intellectueel eigendom op dit onderwerp cruciaal blijken voor de toekomst van IonQ.

IonQ ontwikkelt ook een samenwerking met NKT Photonics (NKT.CO) om toekomstige datacenter‑klare quantumcomputers te ontwikkelen.

Het werkt ook samen met Imec aan fotonische geïntegreerde circuits en ion‑val‑technologie op chip‑schaal om het aantal qubits, de systeemgrootte en de kosten van het bedrijf op te schalen.

In plaats van een eigen SDK (Software Development Kit) te ontwikkelen, ondersteunt het bedrijf alle grote SDK’s tegelijk en werkt het samen met tal van toonaangevende bedrijven aan de ontwikkeling van nieuwe quantumcomputing‑toepassingen.

Bron: IonQ

IonQ is het dichtst bij een pure quantumcomputing‑aandeel voor beleggers die niet geïnteresseerd zijn in de hoofdactiviteiten van andere leiders zoals Google, Intel (INTC ), IBM of Honeywell.

Dus samen met zijn concurrent Quantinuum, onderdeel van Honeywell (HON ), is IonQ dichter bij het ontwikkelen van commerciële quantumcomputers, met de focus op hoge fideliteit en een lager aantal qubits in trapped‑ion‑systemen.

Het vroege succes heeft het geholpen een sterk netwerk van partnerschappen met andere quantumcomputing‑innovators op te bouwen om deze technologie vooruit te stuwen, met een recente hernieuwde focus op netwerk‑gebaseerde quantumcomputers.

Studieverwijzing:

^{1. Main, D., Drmota, P., Nadlinger, D.P., et al.(2025) Gedistrubeerde quantumcomputing via een optische netwerkverbinding. Nature 638, 383–388. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08404-x}