De toekomst van quantum
Hoe ziet de toekomst van quantum eruit? Vedran Dunjko (universitair docent bij LIACS en LION) is medeoprichter van het Leidse interfacultaire initiatiefonderzoek applied quantum algorithms (aQa) dat dit gaat onderzoeken. Zij maken deel uit van het Quantum Delta NL consortium dat onlangs via een zogenaamd 'groeifonds' substantiële financiële middelen van de overheid heeft gekregen.
Hoe gaat jouw onderzoek mijn persoonlijk leven in de toekomst beïnvloeden?
‘Achter alles wat je dagelijks gebruikt en dat 'smart' voor zijn naam heeft staan, zit een machine learning-gadget. Dingen werken nu beter dan 15 jaar geleden, omdat er machine learning achter zit. En over 15 jaar zijn je slimme apparaten nog beter, omdat er op de achtergrond quantumtechnologie wordt gebruikt. Denk aan nog slimmere telefoons die veel van meer werk voor je doen, en slimme auto's waardoor ongelukken tot het verleden behoren. Uiteindelijk komt er, naar ik hoop, een slimme wereld, waarin alles geïntegreerd en geoptimaliseerd is. En voor wetenschappers hoop ik dat we machine-ondersteund onderzoek en AI-geassisteerde wetenschap krijgen om doorbraken te bereiken die nu onmogelijk zijn.’
Wat houdt je onderzoek precies in?
‘Wij ontwerpen quantumalgoritmen die kunnen draaien op quantumcomputers die in de nabije toekomst beschikbaar zijn. We werken samen met bedrijven als Shell, Google, Volkswagen en Total. We willen de prestaties van AI verbeteren door gebruik te maken van quantumcomputers, maar ook door gebruik te maken van machine learning en AI-technieken om quantumcomputers in de nabije toekomst te verbeteren. Uiteindelijk zal dit ons in staat stellen complexe gegevens beter te begrijpen.'
Wat is het voordeel van het gebruik van quantumtechnologie in AI?
‘Quantumcomputers kunnen ons helpen bepaalde voorheen ondenkbare berekeningen efficiënt uit te voeren. Zo proberen we nu een code te bouwen die je bijvoorbeeld kunt gebruiken voor bijvoorbeeld handschriftherkenning of kankerdetectie.’
‘We onderzoeken nu hoe verschillend quantumcomputer functies zijn van neurale netwerken. Een neuraal netwerk is opgebouwd uit kunstmatige eenheden die met een computerprogramma de eigenschappen van echte biologische neuronen nabootsen. We kijken nu of quantum machine learning-modellen daadwerkelijk beter zijn dan de diepe neurale netwerken, die we nu gebruiken. Uiteindelijk is de cruciale vraag of we een algoritme kunnen vinden dat we daadwerkelijk kunnen uitvoeren op een quantumcomputer en dat zinvol is in de echte wereld. Maar daarvoor hebben we eerst een echt goede quantumcomputer nodig en daar komen we langzaam in de buurt.’
Waarom investeert de regering miljoenen in dit onderzoek?
‘Het geld van de overheid gaat naar verschillende pijlers van de quantumtechnologie. Zo gaan collega-onderzoekers verder bouwen aan het quantumnetwerk.’
‘Quantumcomputing is tot nu toe vanuit een zeer theoretisch standpunt bestudeerd. Twee jaar geleden bereikte Google een belangrijke doorbraak met het zogeheten ‘quantum supremacy experiment’. Zij hebben een quantumapparaat gemaakt dat goed gedefinieerde, programmeerbare berekeningen kan doen, die geen enkele computer in een redelijke hoeveelheid tijd kan doen. Dit is een doorbraak omdat het in een milliseconde iets kan, waar een bestaande computer 10.000 jaar voor nodig zou hebben. Het probleem met dit apparaat is dat alles op maat moet worden gemaakt. Om in de komende 5 tot 10 jaar een quantumcomputer te kunnen bouwen, moeten we de mensen die computers bouwen en mensen die algoritmen ontwerpen gaan samenbrengen.’
‘En je moet precies weten wat je met de algoritmen wilt doen. Daarvoor hebben we industriële partners nodig, mensen die ons vertellen: dit zijn onze echte problemen en dit is wat we willen doen. De overheidsinvestering is bedoeld om deze drie spelers samen te brengen: de bouwers, de programmeurs en de eindgebruikers om nuttige quantum-algoritmen te maken. Je hebt alle drie deze groepen nodig, liefst zelfs onder één dak.’
‘De kracht van Leiden is dat we natuurkunde, computerwetenschappen, scheikunde en wiskunde samengebracht hebben in aQa. Het LIACS is een toegepast informatica-instituut dat openstaat voor quantumtechnologie. Dit is vrij uniek, omdat er niet veel instituten nadenken over quantumcomputers als technologie die praktische problemen in de echte wereld kan oplossen.’
Wat gaat LIACS doen met het geld van het groeifonds?
‘Het deel van het geld dat naar het LIACS komt, wordt besteed aan promovendi en post-docs. In Leiden bouwen we geen quantumcomputers, maar leiden we mensen op die quantumcomputers nuttige dingen kunnen laten doen en die ook leren praten met industriële partners en experimentalisten. Het idee achter Quantum Delta NL is om studenten te koppelen aan industriële partners en aan de onderzoekers in die bedrijven. De student moet zich er echt voor inzetten om echt te begrijpen wat er in het bedrijf gebeurt en wat er nodig is. En we hopen dat de bedrijven zich ook committeren en de PhD's helpen financieren.’
Wat hoop je in de komende 5 tot 10 jaar bereikt te hebben?
‘Dat er een eerste voorbeeld in de echte wereld is van een breed toepasbare quantumcomputatie. Dat mensen in de echte wereld me vertellen 'dit heeft ons leven echt verbeterd'. Ik denk dat de eerste voorbeelden over zo'n 6 à 7 jaar gebeuren, al blijft het lastig te voorspellen. Dat hangt vooral af van de ontwikkeling van de apparaten en eventuele andere software doorbraken.’
‘Quantumcomputers bieden immense perspectieven en moeten we nu eerst ideeën hebben over waar deze huidige quantumcomputers zich naartoe moeten ontwikkelen. Welke getallen hebben we nodig om vooruit te komen? Dat is misschien wel het belangrijkste resultaat dat ik hoop te bereiken over 3 jaar. Mensen in quantumcomputing moeten echt gaan zitten en getallen uitrekenen, en als ze dan zeggen dat we 150 qubits en 50.000 logische poorten nodig hebben om een bepaald probleem op te lossen, dan wordt het ineens echt. Het is misschien een immens doel, maar wanneer je er bijvoorbeeld een economisch voordeel aan kunt hangen, wordt het heel reëel.’
Interview door: Marcel Tichelaar