Slim programmeren voor de quantumcomputer die nog niet bestaat
Innovatieve algoritmes ontwerpen, out-of-the-box denken en brainstormen met zijn collega's bij de koffie - dat is waar natuurkundige Stefano Polla het meest van geniet. Het plezier in zijn werk heeft effect: zijn thesis werd genomineerd voor C.J. Kok Juryprijs 2024 voor proefschrift van het jaar.
‘Het lijkt misschien vreemd, maar we weten nog niet precies wat straks het nut is van quantumcomputer,’ vertelt Stefano Polla. ‘We weten alleen dat ze andere problemen kunnen oplossen dan klassieke computers’. Dat is genoeg om ons ervan te overtuigen dat we belangrijke toepassingen voor de quantumcomputer gaan vinden.
Van klassieke simulatie naar quantumsimulatie
Simulatie helpt onderzoekers om sneller oplossingen te vinden voor problemen. Denk bijvoorbeeld aan nieuwe vliegtuigontwerpen. Alleen de meest veelbelovende ontwerpen worden daarna getest in windtunnels, wat veel tijd en geld bespaart.
‘In de toekomst voeren quantumcomputers ook simulaties uit van quantumsystemen, zoals complexe moleculen en materialen. Wij ontwerpen software om quantumcomputers mee aan te sturen. Omdat de quantumcomputers op dit moment nog niet geavanceerd genoeg zijn om de simulaties echt uit te voeren testen we onze software door eerst de quantumcomputer van de toekomst te karakteriseren’, legt Polla uit. De onderzoekers uit de groep Applied Quantum Algorithms gebruiken tools uit de theoretische natuurkunde, wiskunde en informatica om dit voor elkaar te krijgen.
Is het niet voorbarig om nu al software te ontwerpen voor een computer die nog niet bestaat? ‘Nee, zeker niet’, volgens Polla. ‘Door nu al slimme algoritmen te ontwerpen, zorgen we ervoor dat de enorme investeringen in de bouw van quantumcomputers straks rendabel zijn’.
Nieuwe invalshoeken
Tijdens zijn promotietraject startte hij tientallen onderzoeksprojecten. ‘Waarschijnlijk heeft het iets met mijn karakter te maken, maar ik heb de neiging om onderzoeksvragen creatief te benaderen, vanuit nieuwe invalshoeken’, geeft Polla toe. Als gevolg hiervan hebben veel van de paden die hij heeft verkend niet het resultaat opgeleverd dat hij had gehoopt. Polla ziet dit ook als een waardevolle uitkomst van wetenschappelijk onderzoek: begrijpen wat ‘niet werkt zoals verwacht’ is namelijk van grote waarde, ook al is het soms frustrerend.
Deze aanpak leverde ook mooie uitkomsten op. Vijf van Polla's nieuwe ontwerpprincipes doorstonden strenge tests en zijn daarom opgenomen in zijn proefschrift. In het laatste hoofdstuk stelt hij zelfs een nieuw toepassingsgebied voor quantumalgoritmen in de chemie voor.
Een speciale rol voor één qubit
Tijdens het verzamelen van zijn onderzoeksresultaten voor zijn proefschrift, ontdekte Polla een rode draad in zijn eigen ontwerpprincipes. ‘Ik stel voor om een specifieke rol toe te wijzen aan een van de qubits in de computer. Eén qubit, de kleinste eenheid van quantuminformatie, kan de kracht hebben om complexe algoritmes aan te sturen als het zorgvuldig wordt gebruikt’.
In zijn algoritmen krijgt deze enkele qubit een specifieke functie, zoals aansturen van het koelen van het systeem tot bijna het absolute nulpunt, meten of extraheren van informatie uit het quantumsysteem, of het corrigeren van fouten wanneer deze optreden.
‘Natuurlijk heeft het gebruik van slechts één qubit in plaats van vele qubits voor deze operaties invloed op de totale capaciteit van het systeem. In één van mijn artikelen bewijs ik dat als je het slim aanpakt, je niet veel capaciteit verliest’, merkt Polla op.
Pandemische uitdagingen
‘De grootste uitdaging tijdens mijn onderzoek was het werken tijdens COVID’, zegt Polla. ‘Mensen denken vaak dat theoretisch onderzoek een solitaire activiteit is, maar dat is niet waar. Ideeën ontwikkelen doe je samen, bijvoorbeeld tijdens vergaderingen, conferenties en zelfs tijdens een praatje bij de koffie.’
‘Tijdens de pandemie werden alle vergaderingen online gehouden en ging veel van de spontaniteit verloren. Dit maakte zowel het onderzoek als het leerproces, vooral in de eerste jaren van een PhD, veel moeilijker. Gelukkig had ik veel steun van mijn supervisors, mijn onderzoeksgroep en mijn vrienden,’ zegt Polla.
Tweede nominatie
Polla's nominatie voor beste proefschrift van het jaar 2024 is de tweede stap in zijn nu al succesvolle wetenschappelijke carrière. In 2019 ontving hij namelijk de Lorentzprijs voor zijn masterscriptie en studeerde hij summa cum laude af. Na zijn bachelor in Italië kwam hij naar Leiden om zich te verdiepen in experimentele natuurkunde. Hij stapte over naar theoretisch onderzoek en is sindsdien gebleven, aangetrokken door de levendige sfeer en zijn collega's. Er zijn hier zoveel geweldige mensen. Het is een jonge, diverse groep, en iedereen is heel sociaal’, zegt Polla met een glimlach.
‘Nu ik mijn PhD heb afgerond, realiseer ik me hoeveel ik heb geleerd’, reflecteert Polla tot slot. ‘Ik ben beter geworden in wiskunde en coderen. En ik heb ook geleerd om effectiever te schrijven - iets waar de meeste mensen niet zo bij stilstaan, maar wat naar mijn mening heel belangrijk is.’
De verschillen tussen een quantumcomputer en een klassieke computer
Een quantumcomputer gebruikt quantumbits, of qubits. In tegenstelling tot klassieke bits kunnen qubits 0, 1 of elke complexe superpositie van de twee zijn. Quantumcomputers gebruiken deze eigenschap én verstrengeling om informatie op krachtige nieuwe manieren te verwerken. Hierdoor kunnen ze problemen oplossen die ontoegankelijk zijn voor klassieke computers op gebieden als cryptografie, optimalisatie en simulatie.
Leidse onderzoekers leveren een grote bijdrage aan het onderzoek naar quantumtechnologieën, onder andere door nieuwe quantumtheorieën te ontwikkelen, quantumexperimenten uit te voeren en software te ontwikkelen voor de quantumsystemen van de toekomst.
Zodra deze quantumcomputers beschikbaar zijn, hoopt men ze te kunnen inzetten voor het ontwerpen van nieuwe materialen en medicijnen, of om openstaande vraagstukken in de natuurkunde, scheikunde en moleculaire biologie op te lossen.