Wetenschap en IT-industrie hebben hoge verwachtingen van quantum computing, maar beschrijvingen van mogelijke toepassingen zijn vaak vaag. Onderzoekers van ETH Zürich hebben nu een concreet voorbeeld bedacht dat laat zien wat kwantumcomputers in de toekomst daadwerkelijk kunnen bereiken.

Specialisten verwachten niets minder dan een technologische revolutie van kwantumcomputers, waarmee ze hopelijk snel problemen kunnen oplossen die momenteel te complex zijn voor klassieke supercomputers. Veelbesproken toepassingsgebieden zijn onder meer gegevensversleuteling en ontsleuteling, evenals speciale problemen op het gebied van natuurkunde, kwantumchemie en materiaalonderzoek.

Maar als het gaat om concrete vragen die alleen kwantumcomputers kunnen beantwoorden, deskundigen zijn relatief vaag gebleven. Onderzoekers van ETH Zürich en Microsoft Research presenteren nu voor het eerst een specifieke toepassing in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS :evaluatie van een complexe chemische reactie. Op basis van dit voorbeeld, de wetenschappers laten zien dat kwantumcomputers inderdaad wetenschappelijk relevante resultaten kunnen opleveren.

Een team van onderzoekers onder leiding van ETH-hoogleraren Markus Reiher en Matthias Troyer demonstreerde met simulaties hoe een complexe chemische reactie kon worden berekend met behulp van een kwantumcomputer. Om dit te bereiken, de kwantumcomputer moet van een "matige grootte" zijn, zegt Matthias Troyer, die hoogleraar Computational Physics is aan de ETH Zürich en momenteel voor Microsoft werkt. Het mechanisme van deze reactie zou bijna onmogelijk te beoordelen zijn met een klassieke supercomputer alleen - vooral als de resultaten voldoende nauwkeurig moeten zijn.

Een van de meest complexe enzymen

De onderzoekers kozen een bijzonder complexe biochemische reactie als voorbeeld voor hun studie:dankzij een speciaal enzym dat bekend staat als een stikstofase, bepaalde micro-organismen zijn in staat atmosferische stikstofmoleculen te splitsen om chemische verbindingen met enkele stikstofatomen te creëren. Het is nog onbekend hoe de stikstofasereactie precies werkt. "Dit is een van de grootste onopgeloste mysteries in de chemie, " zegt Markus Reiher, Professor voor theoretische chemie aan de ETH Zürich.

Computers die tegenwoordig beschikbaar zijn, kunnen het gedrag van eenvoudige moleculen vrij nauwkeurig berekenen. Echter, dit is bijna onmogelijk voor het stikstofase-enzym en zijn actieve centrum, dat is gewoon te ingewikkeld, legt Reiher uit.

In deze context, complexiteit is een weerspiegeling van hoeveel elektronen met elkaar interageren binnen het molecuul over relatief lange afstanden. Met hoe meer elektronen een onderzoeker rekening moet houden, hoe geavanceerder de berekeningen. "Bestaande methoden en klassieke supercomputers kunnen worden gebruikt om moleculen te beoordelen met maximaal ongeveer 50 sterk op elkaar inwerkende elektronen, " zegt Reiher. Echter, er is een significant groter aantal van dergelijke elektronen in het actieve centrum van een stikstofase-enzym. Omdat bij klassieke computers de inspanning die nodig is om een ​​molecuul te evalueren verdubbelt met elk extra elektron, een onrealistische hoeveelheid rekenkracht nodig is.

Een andere computerarchitectuur

Zoals aangetoond door de ETH-onderzoekers, hypothetische kwantumcomputers met slechts 100 tot 200 kwantumbits (qubits) kunnen mogelijk binnen enkele dagen complexe deelproblemen berekenen. De resultaten van deze berekeningen kunnen vervolgens worden gebruikt om het reactiemechanisme van stikstofase stap voor stap te bepalen.

Dat kwantumcomputers überhaupt in staat zijn om zulke uitdagende taken op te lossen, is deels het gevolg van het feit dat ze anders zijn gestructureerd dan klassieke computers. In plaats van twee keer zoveel bits nodig te hebben om elk extra elektron te beoordelen, kwantumcomputers hebben gewoon nog een qubit nodig.

Echter, het valt nog te bezien wanneer dergelijke "redelijk grote" kwantumcomputers beschikbaar zullen zijn. De momenteel bestaande experimentele kwantumcomputers gebruiken respectievelijk in de orde van 20 rudimentaire qubits. Het duurt nog minstens vijf jaar, of meer waarschijnlijk tien, voordat we quantumcomputers hebben met processors van meer dan 100 hoogwaardige qubits, schat Reiher.

Massaproductie en netwerken

Onderzoekers benadrukken dat kwantumcomputers niet alle taken aankunnen, dus ze zullen dienen als aanvulling op klassieke computers, in plaats van ze te vervangen. "De toekomst zal worden gevormd door het samenspel tussen klassieke computers en kwantumcomputers, ’ zegt Troyer.

Met betrekking tot de stikstofasereactie, kwantumcomputers zullen kunnen berekenen hoe de elektronen zijn verdeeld binnen een specifieke moleculaire structuur. Echter, klassieke computers zullen kwantumcomputers nog steeds moeten vertellen welke structuren van bijzonder belang zijn en daarom moeten worden berekend. "Kwantumcomputers moeten meer worden gezien als een co-processor die bepaalde taken van klassieke computers kan overnemen, waardoor ze efficiënter worden, ' zegt Reiger.

Om het mechanisme van de stikstofasereactie te verklaren, is ook meer nodig dan alleen informatie over de elektronenverdeling in een enkele moleculaire structuur; inderdaad, deze verdeling moet in duizenden structuren worden bepaald. Elke berekening duurt enkele dagen. "Om kwantumcomputers bruikbaar te maken bij het oplossen van dit soort problemen, ze zullen eerst in massa geproduceerd moeten worden, waardoor berekeningen op meerdere computers tegelijkertijd kunnen plaatsvinden, ’ zegt Troyer.