MegaQuOp: de tussenstap op weg naar een bruikbare quantumcomputer
Stel je een heel lange rij dominostenen voor. Elke steen moet precies de vorige omvergooien, zonder dat er ook maar één steen scheef staat of te ver weg ligt. Bij tien dominostenen lukt dat bijna altijd. Bij een miljoen dominostenen op rij is de kans levensgroot dat ergens in het midden iets misgaat en de hele reeks vroegtijdig stopt. Zo ongeveer werkt een quantumcomputer ook: hij moet een lange reeks bewerkingen achter elkaar foutloos uitvoeren, en hoe langer die reeks, hoe groter de kans dat er ergens een fout insluipt die het hele antwoord waardeloos maakt.
MegaQuOp is de naam die onderzoekers van Google Quantum AI, met name natuurkundige Hartmut Neven, hebben gegeven aan een belangrijke tussenstap op die weg: een quantumcomputer die een miljoen van dit soort bewerkingen betrouwbaar achter elkaar kan uitvoeren zonder dat fouten de uitkomst verpesten. De term is een samentrekking van 'mega' (miljoen) en 'QuOp', wat staat voor 'quantum operation' oftewel quantumbewerking. Het is nog geen eindpunt, maar wel een concrete meetlat waarmee onderzoekers kunnen laten zien hoe ver ze werkelijk zijn, in plaats van vage beloftes over de toekomst van quantumcomputers.
Wat is het precies?
Een gewone computer rekent met bits: nulletjes en eentjes. Een quantumcomputer rekent met qubits, die dankzij de wetten van de kwantummechanica tegelijk iets tussen nul en één kunnen zijn en met elkaar verstrengeld kunnen raken. Die eigenschappen maken quantumcomputers in theorie razendsnel voor bepaalde sommen, maar ze maken de qubits ook extreem gevoelig. Trillingen, warmte, straling of gewoon de tijd zorgen ervoor dat een qubit zijn kwantumtoestand verliest, een verschijnsel dat decoherentie heet.
Elke stap die een quantumcomputer zet, een zogeheten quantumpoort die op een of meerdere qubits werkt, heeft daardoor een kans om fout te gaan. Bij de huidige generatie quantumchips is die foutkans per bewerking nog zo hoog dat je maar een paar honderd tot een paar duizend bewerkingen achter elkaar kunt doen voordat de opeenstapeling van fouten het resultaat onbruikbaar maakt. Deze fase, waarin machines wel indrukwekkend maar nog behoorlijk onbetrouwbaar zijn, wordt de NISQ-periode genoemd: Noisy Intermediate-Scale Quantum, oftewel ruizige quantumcomputers van beperkte omvang.
Om verder te komen, gebruiken onderzoekers quantumfoutcorrectie. Daarbij verdeel je de informatie van één betrouwbare 'logische' qubit over tientallen tot honderden fysieke qubits, die elkaar voortdurend controleren zonder de kwetsbare kwantuminformatie zelf te verstoren. Zo kunnen fouten worden opgespoord en gecorrigeerd voordat ze zich opstapelen. Neven beschrijft de weg hiernaartoe in stappen die allemaal genoemd zijn naar het aantal betrouwbare bewerkingen dat haalbaar is: eerst een kiloquop-machine (duizend betrouwbare bewerkingen), dan een megaquop-machine (een miljoen), en uiteindelijk, voor echt grootschalige toepassingen zoals het kraken van moderne encryptie, een teraquop-machine met zo'n duizend miljard betrouwbare bewerkingen. Megaquop-niveau betekent dus nog niet dat fouten helemaal zijn opgelost, maar wel dat ze ver genoeg zijn onderdrukt om nuttige, middelgrote berekeningen te doen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het idee achter deze tussenstappen is vooral praktisch. Een volledig foutvrije, universeel inzetbare quantumcomputer met miljoenen fysieke qubits ligt vermoedelijk nog decennia in de toekomst. Als onderzoekers daarop zouden wachten voordat ze iets nuttigs laten zien, verliezen investeerders, overheden en het publiek mogelijk het geduld, zeker na jaren van hooggespannen verwachtingen die niet altijd werden waargemaakt.
Door tussendoelen als kiloquop en megaquop te benoemen, ontstaat een meetbaar traject. Onderzoekers kunnen laten zien: dit jaar konden we duizend betrouwbare bewerkingen doen, volgend jaar een miljoen. Dat is concreter dan brede uitspraken over 'quantumsupremacy' of 'doorbraken', die weinig zeggen over wanneer een machine daadwerkelijk iets bruikbaars kan.
Daarnaast hoopt men dat een megaquop-machine al genoeg rekenkracht heeft voor specifieke, waardevolle toepassingen, ook zonder volledige foutvrije schaal. Denk aan het simuleren van kleine moleculen of materialen: het berekenen van hoe een katalysator voor kunstmestproductie zich gedraagt, of hoe een nieuw batterijmateriaal zich chemisch gedraagt. Dat soort simulaties vereist weliswaar nog altijd veel rekenkracht, maar aanmerkelijk minder dan het kraken van encryptiesleutels, waarvoor naar schatting duizend miljard of meer betrouwbare bewerkingen nodig zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
Het duidelijkste voorbeeld is Google's Willow-chip, aangekondigd in december 2024. Deze chip met 105 fysieke qubits liet voor het eerst overtuigend zien dat foutcorrectie 'onder de drempel' werkt: hoe meer fysieke qubits je aan een logische qubit toevoegt, hoe minder fouten er optreden, in plaats van andersom. Dat is precies het principe dat nodig is om ooit een megaquop-machine te bouwen. De onderliggende wetenschap hiervoor publiceerde het Google Quantum AI-team in augustus 2024 in het tijdschrift Nature, in een artikel getiteld 'Quantum error correction below the surface code threshold'.
Een ander voorbeeld komt van QuEra Computing, samen met onderzoekers van Harvard en MIT. Zij toonden in 2023 in Nature een processor met 48 logische qubits op basis van neutrale atomen die met laserlicht worden vastgehouden en verplaatst, een andere technische aanpak dan de supergeleidende chips van Google, maar gericht op hetzelfde soort mijlpaal: meer betrouwbare logische rekeneenheden.
IBM werkt met een eigen terminologie, zoals 'quantum utility', maar de onderliggende ambitie is vergelijkbaar. Het bedrijf heeft een routekaart gepubliceerd naar foutgecorrigeerde chips, waaronder een systeem met de codenaam Kookaburra, gepland voor het latere deel van dit decennium, dat honderden logische qubits moet combineren.
Ook in China wordt hard gewerkt aan vergelijkbare stappen. De Zuchongzhi-serie chips van de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China (USTC) heeft de afgelopen jaren steeds grotere en snellere supergeleidende quantumprocessors laten zien, al gebruiken de Chinese teams de term 'megaquop' zelf niet expliciet.
Hoe ver is de techniek?
Op dit moment bevindt het veld zich, voorzichtig gezegd, ergens tussen de NISQ-fase en de kiloquop-fase. Het 'onder de drempel'-resultaat van Willow is een belangrijke, wetenschappelijk goed onderbouwde stap, maar het ging daarbij nog om een klein aantal logische qubits en relatief korte berekeningen, niet om een miljoen bewerkingen in de praktijk.
Om daadwerkelijk megaquop-niveau te bereiken, moeten onderzoekers de foutkans per fysieke bewerking nog verder omlaag brengen, meer fysieke qubits per logische qubit stabiel laten samenwerken, en de besturingselektronica en koeling opschalen naar systemen met vele duizenden tot miljoenen fysieke qubits. Dat laatste is een aanzienlijke technische opgave: huidige chips draaien in koelkasten die tot bijna het absolute nulpunt afkoelen, en elke extra qubit vraagt om extra bekabeling en besturingssignalen.
Neven en collega's hebben in publieke uitspraken de verwachting uitgesproken dat een megaquop-machine mogelijk al in de tweede helft van dit decennium haalbaar is, maar dit blijft een inschatting, geen vaststaand feit. Onafhankelijke experts zijn voorzichtiger en wijzen erop dat elke voorspelling over quantumtechnologie in het verleden vaker te optimistisch dan te pessimistisch is gebleken. Een volledig foutvrije, teraquop-schaal computer die encryptie zou kunnen kraken, wordt door de meeste onderzoekers nog op zeker tien tot twintig jaar afstand geschat, met veel onzekerheidsmarge.
Wie werken eraan?
Google Quantum AI, gevestigd in Santa Barbara in de Verenigde Staten, is de belangrijkste drijvende kracht achter de megaquop-terminologie en de bijbehorende routekaart. Daarnaast is IBM Quantum een grote speler, met een eigen langetermijnplan voor foutgecorrigeerde systemen.
Andere bedrijven volgen andere technische wegen naar hetzelfde soort mijlpaal: Quantinuum en IonQ werken met ionvallen, QuEra met neutrale atomen, en PsiQuantum en Rigetti verkennen respectievelijk fotonische en supergeleidende benaderingen. In China trekt de Universiteit van Wetenschap en Technologie (USTC) de kar, gesteund door grote statelijke investeringen. In Europa lopen initiatieven zoals het Quantum Flagship-programma van de Europese Unie en, dichter bij huis, Quantum Delta NL en onderzoeksgroepen zoals QuTech in Delft, die zich richten op zowel hardware als foutcorrectiealgoritmen.