De huidige staat van kwantumcomputing

Kwantumcomputing is Anders

Kwantumcomputing is het idee om kwantumfysica te gebruiken voor berekeningen, wat verschilt van normale op halfgeleiders gebaseerde computermethoden. In plaats van 0 en 1 (geen stroom of stroom) te genereren, gebruikt het “kwantumbits”, qubits genoemd, waarbij de deeltjesdata tegelijk 0 EN 1 kan zijn, of 1, of 0.

Vanwege het fundamentele verschil in de manier van rekenen is kwantumcomputing niet zozeer een alternatief voor “normale” computing, maar eerder een aanvulling.

Standaardcomputing werkt lineair en heeft moeite met zeer complexe berekeningen, zoals klimaatmodellering, cryptografie of de 3D-configuratie van complexe moleculen zoals eiwitten. En dit is precies het type berekening waarin kwantumcomputing naar verwachting zal uitblinken.

Dus, terwijl onze laptops en smartphones waarschijnlijk nooit kwantumcomputers zullen worden, zouden ze wetenschappelijk onderzoek kunnen revolutioneren.

Kwantumcomputing is Moeilijk

Met de belofte dat kwantum-supercomputers duizend keer beter zullen presteren dan de bestaande, is het geen verrassing dat er veel onderzoek is gedaan om ze werkelijkheid te maken.

Maar het probleem is dat het creëren van zelfs één qubit technisch zeer moeilijk is. De eerste moeilijkheid is dat kwantumcomputing alleen werkt bij ultralage temperaturen, ongeveer honderd graden boven het absolute nulpunt. Alleen onder deze omstandigheden worden sommige unieke materialen supergeleiders (materialen zonder elektrische weerstand). Dit vergt veel energie, is duur en moeilijk te realiseren.

En vervolgens is het beheersen, manipuleren en “lezen” van de data in een qubit ook complex, meestal met ultra‑preciese lasers, atomaire microscopen en sensoren. Ten slotte maakt elke interferentie de qubit nutteloos, dus moet er ook een perfect vacuüm worden bereikt.

Terwijl halfgeleiderchips materie manipuleren op schalen van slechts enkele atomen, streeft kwantumcomputing ernaar materie op de deeltjeschaal te hanteren. Merkwaardig is dat een praktische kwantumcomputer duizenden qubits nodig zal hebben om stabiel te blijven en met elkaar te interageren.

Kwantumcomputing Boekt Vooruitgang

De 1.000-Qubit Drempel Overschrijden

Een team onder leiding van professor Gerhard Birkl van de “Atoms – Photons – Quanta” onderzoeksgroep in de afdeling Natuurkunde aan de TU Darmstadt in Duitsland heeft zojuist de grootste kwantumcomputer tot nu toe gecreëerd.

Zij hebben een kwantumcomputer gecreëerd met 1.000 individueel bestuurbare atomaire qubits, waarmee ze een race in het veld hebben gewonnen ten opzichte van vele andere wetenschappelijke teams.

Bron: Optica

De 1.000‑markering is gedeeltelijk symbolisch, maar ligt ook rond het aantal dat nodig wordt geacht voor een zinvolle toepassing van kwantumcomputers. Minder dan dat zijn ze meestal een wetenschappelijke curiositeit en een veelbelovend idee, maar niet veel meer.

De techniek maakt gebruik van “optische pincetten”, speciale lasers die de atomen individueel kunnen manipuleren. Dankzij vooruitgang in micro‑optica is dit de meest veelbelovende techniek in kwantumcomputing voor een schaalbare methode om veel grotere systemen te bouwen.

Bron: Optica

“Aangezien het aantal lenslets per vierkante centimeter gemakkelijk 100.000 bereikt en MLA‑wafers met gebieden van enkele honderden vierkante centimeters kunnen worden geproduceerd, hebben ze een enorm potentieel qua schaalbaarheid, alleen beperkt door het beschikbare laservermogen”

Bron: Optica

Door het gebruik van dergelijke optische pincetten te perfectioneren, heeft prof. Birkl aangetoond dat grote kwantumcomputers met duizenden qubits kunnen worden geconstrueerd. Dit zal op zijn beurt het essentiële gereedschap bieden dat andere onderzoekers nodig hebben om kwantumberekeningen uit te voeren.

Kwantumsimulatoren om Fysica op te Lossen

Veel problemen waar natuurkundigen vandaag de dag mee worstelen, zijn gerelateerd aan het gedrag van deeltjes op kwantumschaal, of ten minste zodra meer dan 30 deeltjes worden gesimuleerd. Dit is een probleem omdat gewone computersystemen moeite hebben met het probabilistische gedrag van deeltjes en kwantumfysica in het algemeen.

Om dit probleem op te lossen, zou de ideale situatie zijn om een “kwantumsimulator” te ontwikkelen waarin qubits het gedrag van kwantumdeeltjes kunnen simuleren. Dit komt doordat qubits zelf de kwantumeigenschappen van verstrengeling en superpositie gebruiken, die zo moeilijk te simuleren zijn in een normale computer.

Hoewel kwantumsimulatoren in wezen een speciaal type kwantumcomputer zijn, is het probleem tot nu toe geweest om ze in staat te stellen veel verschillende deeltjes te simuleren in plaats van voor elke specifieke fysieke vraag een op maat gemaakte kwantumsimulator te moeten ontwerpen.

Natalia Chepiga en haar onderzoeksgroep, assistent‑professor aan de Delfts Technische Universiteit in Nederland, zou een oplossing hebben gevonden.

Zij stelt een protocol voor dat een volledig bestuurbare kwantumsimulator creëert in een wetenschappelijk artikel gepubliceerd in Physical Review Letters. Dit werkt door twee lasers met verschillende frequenties of kleuren te gebruiken, waardoor een extra dimensie aan de berekening wordt toegevoegd. Theoretisch zou deze methode kunnen worden uitgebreid om meer dan 2 dimensies toe te voegen aan de kwantumsimulatorberekening.

Bron: TU Delft

Dit type kwantumsimulator zou een enorme impuls kunnen geven aan tal van onderzoeksinspanningen aan de rand van onze huidige kennis, inclusief ultra‑koude fysica (inclusief supergeleiders), halfgeleiders, materiaalkunde, telecommunicatie en energietechnologieën (met name batterijen).

QuDits in Plaats van QuBits

De meeste kwantumcomputing‑ontwerpen zijn gericht op qubits, en op het makkelijker maken van manipulatie/programmering en het toevoegen van meer ervan. Een alternatief is het gebruik van kwantumcijfers, of “qudits”.

“Een kwantumcomputer met x qubits kan 2^x berekeningen uitvoeren. Een machine met x qudits, waarbij D het aantal toestanden per qudit vertegenwoordigt, kan D^x berekeningen uitvoeren.

Dit betekent dat je dezelfde informatie kunt coderen in minder kwantumdeeltjes wanneer je qudits gebruikt,”

Martin Ringbauer, een kwantumfysicus aan de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk in IEEE Spectrum

In eenvoudigere termen, hoe meer D‑dimensies een kwantumcomputingsysteem heeft, hoe exponentieel krachtiger het wordt. Naast deze efficiëntere berekening met qudits in plaats van qubits, wordt verwacht dat ze betrouwbaarder zijn en minder snel rekenfouten veroorzaken dan qubits.

Het is dus groot nieuws dat een team van onderzoekers onder leiding van Andrea Morello aan de UNSW in Australië een 16-dimensionaal, zeer bestuurbaar qudit‑computersysteem heeft gecreëerd. Met D=16 vergroot elke hoeveelheid toegevoegde qudits de rekencapaciteit met een factor 16.

Om dit te bereiken, gebruikten ze een 123Sb (antimoon) donoratoom, dat ion‑implanteerd werd in een silicium nano‑elektronisch apparaat.

“De gecombineerde Hilbert‑ruimte van het atoom beslaat 16 dimensies, en kan benaderd worden met zowel elektrische als magnetische besturingsvelden. Andrea Morello”

Dit systeem behaalde opmerkelijke resultaten; met name “de kernspin vertoont al poortfideliteiten van meer dan 99% ongeacht het aandrijfmechanisme”. Het antimoonatoom is ook een verbetering ten opzichte van het eerder gebruikte 31P (fosfor), omdat antimoon een zwaarder atoom is en makkelijker te manipuleren.

Deze technische en wetenschappelijke prestatie wordt ook verder verbeterd, met name door gebruik van isotopisch gezuiverd 28Si (silicium), het verwijderen van resterende 29Si‑concentratie, en het verbeteren van de betrouwbaarheid van het systeem (coherentie‑tijden en poortfideliteiten).

Staat van de Ontwikkeling van Kwantumcomputing

Het veld bevindt zich nog steeds in een zeer vroeg stadium, met volledig nieuwe concepten die nog opkomen, zoals bruikbare qudits of programmeerbare kwantumsimulatoren.

In combinatie met de vooruitgang in het creëren van systemen met meer dan 1.000 qubits, toont dit aan dat kwantumcomputing waarschijnlijk een zeer belangrijk wetenschappelijk veld zal worden in de komende decennia, met enorm onbenut potentieel.

Momenteel wordt onderzoek in materiaalkunde of biochemie gestimuleerd door AI, iets wat we bespraken in ons artikel “Disruptieve Industrieën Samengevoegd Rond een Kerntechnologie – Kunstmatige Intelligentie (AI).”

Maar binnenkort, in de komende 5‑10 jaar, zouden we praktische resultaten van kwantumberekeningen kunnen gaan zien. De hardware verschuift nu van gedachte‑experimenten en laboratoriumdemonstrators naar prototypes van commerciële onderzoekscomputers.

De volgende stap zal het ontwikkelen van software zijn die het potentieel van kwantumcomputing kan maximaliseren — en het beginnen met de productie van kwantumcomputers op schaal om kosten te verlagen en enige standaardisatie te bieden.

Zo is kwantumcomputing in veel opzichten op het niveau waarop de eerste commerciële computer‑mainframes in de jaren 1950 en 1960 verschenen, voordat ze een algemeen zakelijk en onderzoeksinstrument werden in de daaropvolgende decennia.

Toepassingen van Kwantumcomputing

Hoewel moeilijk volledig te voorspellen, weten we al enkele segmenten die enorm zullen profiteren van een bredere beschikbaarheid van kwantumcomputing:

• Biochemische modellering: van het bepalen van de 3D‑vorm van een eiwit tot genexpressie, de berekening van complexe biologische moleculen tot op atomaire schaal zou biotechnologisch onderzoek kunnen revolutioneren.
• Klimatologische modellering: klimaatmodellen zijn buitengewoon complex en testen de grenzen van wat huidige supercomputers aankunnen. Een beter begrip van het klimaat, met een fijnere rekenresolutie in het model, zowel geografisch als temporeel, kan helpen bij het begrijpen van de risico’s van klimaatverandering.
• Halfgeleiders: kwantumcomputers zouden kunnen worden gebruikt om normale computerchips veel krachtiger te maken. Nu “normale” chips de nanometerschaal bereiken, worden kwantumverschijnselen steeds problematischer, en kunnen kwantumcomputers nodig zijn om ze op te lossen.
• Materiaalkunde: een beter begrip van kwantumfysica en de reactie van materialen tot op individuele atomen kan nieuwe ontwerpen mogelijk maken voor materialen die worden gebruikt in de lucht‑ en ruimtevaart, batterijen, 3D‑printen, productie, enz.
• Cryptografie: kwantumcomputers zouden potentieel alle huidige cryptografiemethoden overbodig kunnen maken. Dit is een serieuze zorg voor militaire, financiële & IT‑systemen. Maar tegelijkertijd zou het cryptografie nog veiliger kunnen maken.

Aandelen in Kwantumcomputing

1. International Business Machines Corporation

(IBM )

International Business Machines Corporation (IBM) was de leidende kracht achter de commercialisering van de eerste mainframe‑computer. Het is echter achtergebleven bij andere tech‑reuzen zoals Apple, TSMC en NVIDIA.

Het staat echter wel voorop in de ontwikkeling van kwantumcomputers. Zo ontwikkelde het zijn 127‑qubit “Eagle” kwantumcomputer, gevolgd door een 433‑qubit systeem bekend als “Osprey”.

En dit wordt nu gevolgd door “Condor”, een 1.121‑supergeleidend qubit kwantumprocessor gebaseerd op cross‑resonantie‑poorttechnologie, samen met “Heron”, een kwantumprocessor aan de absolute rand van het veld.

Tenslotte heeft IBM in februari 2024 Qiskit 1.0 uitgebracht, de populairste kwantumcomputing‑SDK, met verbeteringen in circuitconstructie, compilatietijden en geheugengebruik ten opzichte van eerdere versies.

Kijkend naar de toekomst, heeft IBM al haar volgende grote doel aangekondigd in afwachting dat de huidige kwantumchips de huidige infrastructuur ‘overstijgen’. Dit doel staat bekend als ‘IBM Quantum System Two’; een modulair systeem dat potentieel tot 16.632 qubits kan ondersteunen.

IBM’s kracht is sinds haar ontstaan altijd geweest in het ontwikkelen van ultrakrachtige supercomputers, een marktsegment dat werd overschaduwd door de opkomst van consumentenelektronica en gestandaardiseerde chips. De opkomst van kwantumcomputing biedt IBM de kans om opnieuw te schitteren en een leider te worden in dit komende belangrijke segment van computing voor wetenschappelijk onderzoek en de rekenbehoeften van grote bedrijven.

2. Microsoft Corporation

Al een leider in “normale” clouddiensten, is Microsoft een pionier in het aanbieden van kwantumcomputing‑clouddiensten met Azure Quantum. Het is volstrekt mogelijk dat de meeste kwantumcomputing in de toekomst zal worden uitgevoerd door onderzoekers “op afstand”, waarbij ze vertrouwen op clouddiensten zoals die van Microsoft, in plaats van directe toegang tot hun eigen kwantumcomputer.

Dit is vooral waarschijnlijk omdat uiteindelijk de meeste kwantumcomputing‑toepassingen zullen worden onderzocht door biochemici, materiaalkundige experts, klimaatwetenschappers en andere specialisten zonder specifieke achtergrond in kwantumcomputing. Het is daarom logischer om te vertrouwen op toegewijde professionals bij bedrijven als IBM, Microsoft of Google die het rekenwerk afhandelen, dan om mensen zonder ervaring in het veld in te huren of op te leiden.

De dienst kan ook “hybride computing” aanbieden, waarbij kwantumcomputing wordt gemengd met traditionele cloud‑gebaseerde supercomputer‑diensten.

Bron: Microsoft

In plaats van verticale integratie, heeft Microsoft’s benadering van kwantumcomputing bestaan uit het aangaan van partnerschappen met leiders in het veld die vrijwel alle mogelijke technologieën voor kwantumcomputing dekken, zoals IonQ (IONQ), Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT), en Rigetti (RGTI).

Bron: Microsoft

Kwantumcomputing staat niet centraal in Microsoft’s bedrijfsvoering, althans voorlopig. Het blijft echter een centrale speler in de sector en kan een “veiliger” aandelenselectie zijn dan direct aandelen te kopen van haar kwantumcomputing‑partners die publiekelijk verhandeld worden, zoals QCI of Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google is zeer actief in kwantumcomputing, voornamelijk via haar Google Quantum AI‑lab en Quantum AI‑campus in Santa Barbara.

De kwantumcomputer van Google schreef geschiedenis in 2019 toen Google beweerde “kwantumsuperioriteit” te hebben bereikt met haar Sycamore‑machine, die een berekening uitvoerde in 200 seconden die een conventionele supercomputer 10.000 jaar zou kosten.

Maar misschien is de grootste bijdrage van Google de software, een activiteit waarin ze een veel beter trackrecord heeft dan hardware (zoeken, G Suite, Android, enz.). Al biedt Google’s Quantum AI een reeks software die wetenschappers helpt bij het ontwikkelen van kwantumalgoritmen.

Google zal waarschijnlijk een van de bedrijven zijn die de standaarden voor kwantumcomputing‑software & -programmering bepalen, waardoor ze een bevoorrechte positie hebben om de toekomstige ontwikkeling van het veld te sturen.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum is het resultaat van de fusie tussen Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum (en, zoals vermeld, een partner van Microsoft’s kwantum‑cloudcomputing).

Quantinuum lijkt zich voorlopig te richten op segmenten die minder door andere kwantumcomputingsystemen worden verkend, met name financiële en supply‑chain‑gerelateerde analyses, via haar Quantum Monte Carlo Integration (QMCI) engine, gelanceerd in september 2023.

QMCI is toepasbaar op problemen zonder analytische oplossing, zoals het prijzen van financiële derivaten of het simuleren van de resultaten van high‑energy‑deeltjesfysica‑experimenten, en belooft rekenkundige vooruitgang in bedrijfsleven, energie, logistiek van supply chains en andere sectoren.

Net als bij Microsoft is kwantumcomputing niet het centrale onderdeel van Honeywell’s bedrijfsvoering, die meer gericht is op producten in de lucht‑ en ruimtevaart, automatisering, en speciale chemicaliën & materialen.

Echter, gezien elk van deze bedrijfssegmenten kan profiteren van kwantumcomputing, is het niet moeilijk om de businesscase voor Honeywell om zich te engageren te zien.

Dit maakt Honeywell zowel een aanbieder van kwantumcomputing‑diensten als een van de bedrijven die kunnen profiteren van de toepassing van kwantumcomputers op real‑life bedrijfscases, iets waarvan de integratie van Quantinuum in de groep sneller moet worden gestimuleerd dan bij haar industriële concurrenten.

5. Intel

Intel is een grote chipproducent en lijkt deze sterkte te willen benutten in de kwantumcomputing‑arena.

Onlangs heeft het “Tunnel Falls”, de “ meest geavanceerde silicium‑spin‑qubit‑chip” uitgebracht. Opmerkelijk is dat het geen prototype is, maar een chip die op schaal wordt geproduceerd, met een opbrengst van 95% over de wafer en spanningsuniformiteit. Dit opent de weg naar massaproductie van kwantumcomputing‑chips, iets dat tot nu toe ontbrak in een ontluikende en snel veranderende industrie.

Bron: Intel

Vasthoudend aan haar roots, ontwikkelt Intel ook de software om haar chips te benutten, met de release van de Intel Quantum SDK. Deze biedt richtlijnen voor programmeurs om software voor kwantumcomputing te ontwikkelen die compatibel is met Intel’s kwantumchip‑ontwerp, wat historisch gezien een zeer sterke & winstgevende businessmoat is voor Intel’s conventionele chipbusiness.

Bron: Intel

De komst van schaalbare productie van kwantumchips kan even revolutionair zijn voor de industrie als elke andere technische wetenschappelijke doorbraak, door kosten te verlagen en gemeenschappelijke programmeerstandaarden en chiparchitecturen vast te stellen.

Intel is een bedrijf dat uit ervaring weet hoe krachtig dit kan zijn in de computerindustrie, nog steeds voortbouwend op de innovaties en bijbehorende patenten vanaf de jaren zestig.

6. Defiance Quantum ETF

De kwantumcomputing‑sector is nog zeer jong. Tot nu toe is deze voornamelijk overgenomen door grote tech‑corporaties met voldoende diepe zakken om miljarden dollars te financieren voor dit soort fundamenteel onderzoek.

Echter, veel andere kleinere bedrijven zijn ook actief in het veld, sommigen die partnerschappen aangaan met genoemde giganten om hun technologie te implementeren.

Voor niet‑gespecialiseerde beleggers kan het een nogal moeilijke taak zijn om de complexiteit van de verschillende kwantumcomputing‑technologieën te begrijpen, laat staan te raden welke commercieel succesvol zullen zijn.

Daarom, hoewel directe investering in kleine kwantumcomputing‑startups een optie is, is een andere mogelijkheid om te vertrouwen op een ETF om blootstelling aan de sector te krijgen, terwijl men diversifieert tegen lagere kosten.

De Defiance Quantum ETF bevat 69 verschillende aandelen gerelateerd aan kwantumcomputing in haar portefeuille, inclusief ontwikkelaars van kwantumcomputers & chips, evenals leveranciers van koelsystemen, lasers, software en andere technologieën die worden gebruikt in kwantumcomputers of de productie van kwantumchips.

Bron: Defiance ETF

In dit snel evoluerende veld zullen de meeste beleggers, zelfs diegenen die bekend zijn met de halfgeleiderindustrie, waarschijnlijk profiteren van een zekere mate van diversificatie. Dit kan worden bereikt door te gokken op individuele tech‑reuzen die de juiste partnerschapskeuzes maken of met een breed scala aan aandelen, iets dat vaak efficiënter wordt bereikt via een gespecialiseerde ETF.